科學家揭示黃粉蟲降解聚苯乙烯塑料證據

2020-11-21 科學網

 

科學網訊 （通訊員 李琳） 日前，北京航空航天大學楊軍研究組和美國史丹福大學吳唯民高級研究員、深圳華大基因公司趙姣博士等，在繼2014年12月發表蠟蟲腸道微生物降解聚乙烯的論文後，再次在國際環境科學與技術領域權威期刊《Environmental Science and Technology》上發表了題為「Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms. Part 1. Chemical and physical characterization andisotopic tests」（齧食塑料黃粉蟲對聚苯乙烯的生物降解和完全礦化作用：1. 化學與物理特性和同位素失蹤試驗）和「Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms.Part 2. Role of gut microorganisms」（齧食塑料黃粉蟲對聚苯乙烯的生物降解和完全礦化作用：2. 腸道微生物的作用）兩篇姊妹研究論文，首次以全面證據揭示了黃粉蟲齧食降解聚苯乙烯、將其完全降解礦化為二氧化碳、並利用同化為蟲體脂肪，同時證明是其腸道微生物起主導作用，並且分離鑑定了一株降解聚苯乙烯的細菌。此研究成果為解決廢棄塑料汙染環境的問題提供了嶄新的思維。（http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es 5b02661和http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es5b02663）

石油化工生產的塑料廢物汙染是世界環境難題。迄今為止學術界認為，塑料產品由於物理化學結構穩定、在自然環境中可能數十至數百年不會被分解。塑料汙染正嚴重威脅著生態和海洋環境。2013年石油基塑料世界年產量約3億噸，其中聚苯乙烯佔7.1%。聚苯乙烯經久耐用，不能生物降解，常用作一次性飯盒、咖啡杯和包裝絕熱材料，在土壤、河流湖泊及海洋等環境產生了普遍嚴重的「白色汙染」。2005年起，北京航空航天大學化學與環境學院楊軍博士開始了塑料生物降解的研究。

黃粉蟲又名麵包蟲，拉丁學名Tenebriomolitor。一般長20-25mm，成蟲為黑色甲蟲，是一種倉庫害蟲，原產北美洲，現已被人工大量飼養用作動物飼料或者提取化工原料。在北航和斯坦福的實驗表明，產自中國和美國的黃粉蟲幼蟲都齧食塑料，僅僅靠齧食泡沫塑料能存活一個月以上，最後發育成甲殼成蟲。聚苯乙烯泡沫塑料在黃粉蟲幼蟲腸道停留時間短於24小時。進食泡沫塑料16天後，黃粉蟲可以將大約48%的聚苯乙烯轉化為二氧化碳。碳-13同位素示蹤實驗證明，聚苯乙烯被黃粉蟲完全降解礦化為二氧化碳和利用轉化為蟲體脂肪。

研究組發現腸道微生物對聚苯乙烯生物降解起決定性的作用。在黃粉蟲幼蟲食物中加入抗生素抑制腸道微生物後，幼蟲不能降解塑料。他們進一步成功分離出可以利用聚苯乙烯作為唯一碳源進行生長的聚苯乙烯降解細菌--微小桿菌YT2（Exiguobacteriumsp. YT2）。該菌株已保存在中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心和國家基因庫，是國際上報導的第一株保藏在菌種中心的聚苯乙烯降解細菌。該株細菌可在在無碳瓊脂固體培養基上的聚苯乙烯膜表面生長生成穩定的生物膜，顯著地侵蝕膜表面結構。該菌株在液體中培養60天後，液體中聚苯乙烯碎屑被分解、減重可達7.4%。殘留物的分子量明顯降低，生成大量水溶性的低分子中間產物。

該系列研究再次提供了有力的科學證據，證實微生物能直接有效地降解聚苯乙烯，同時也進一步證實具有取食塑料行為的昆蟲的腸道是發現降解塑料的微生物的重要來源。這為開發生物降解高分子材料和廢棄物的技術提供了一條全新的途徑。

文章第一作者楊宇是通訊作者江雷院士和楊軍副教授合作指導的博士生，吳唯民博士參加並指導了研究工作，趙姣博士和楊瑞馥教授參加了微生物基因組分析工作，宋怡玲和高龍成副教授參加了前期微生物實驗和高分子分析工作。

該研究得到了國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃（973）以及深圳市生物能源重點實驗室的資助。

兩篇文章在發表的當日，美國Chemical &Engineering News（C&EN，化學與工程新聞）進行了採訪報導。Stanford News（斯坦福新聞）提前採訪報導了研究成果，並指出楊軍博士正在領導與史丹福大學Craig Criddle教授進行國際合作的研究計劃。

世界主要通訊媒體如美國CNN、 CNBC、VOA、The Huffington Post（赫芬頓郵報，美國最具影響力的新聞博客網站）、The Times（英國泰晤士報）先後採訪了文章作者，進行了報導。FOX News、UPI （United Press International，美國第二大通訊社合眾國際社）等數百家媒體作了轉載。（來源：科學網 李琳）

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