让塑料成为虫子的美餐,13年冷板凳,这位科学家带来神奇成果

扬子晚报   2018-04-06 21:04:01
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  家里的小米生虫,虫子咬破了装米的塑料袋。看到这稀松平常的一幕,你会不会有突如其来的灵感闪现?并且由此解决世界级难题?听起来就好似牛顿被一个苹果砸到最后发现了万有引力。

  而这位因“虫吃塑料袋”而开启一个科学研究课题的“牛人”,就是来自北京航空航天大学化学学院的教授杨军。2004年他偶然看见虫子吃塑料袋的场景,脑海里就蹦出一个“虫子吃了塑料能消化吗?”的疑问,随即得到灵感,带着自己的团队潜心研究13年,最终让他发现虫子的肠道菌群可以降解塑料。

  更为神奇的是,本来需要500年才能自然降解的塑料,在某些虫子肠道里降解时间不到一天。这一惊喜的发现,可以说是科学领域的一大突破,目前,杨军团队正在积极推进成果产业化。紫牛新闻记者专访了杨军教授,杨教授也十分大方地就一些读者感兴趣的“虫子吃塑料”的内容,回答了记者的提问。

  【杨军教授接受紫牛新闻专访,

  回答了一些读者都感兴趣的问题】

  

  “小米生虫咬破塑料袋”让他来了灵感

  “2003年11月到2004年7月,我担任了《国家中长期科技发展规划(2006-2020)》大型飞机重大专项论证秘书组组长,大型飞机就是2017年5月5日在上海成功首飞的C919。2004年春节是论证休息的‘空窗期’,我在家里做稀饭,我发现装小米的那个塑料袋被咬破了很多的洞,这里面有蛾子飞出来,也有虫子在里面爬。”杨军回忆道,因为自己是清华环境工程专业的博士,做的是环境生物技术。当时突然就来了一个灵感,想这个虫子它咬破了塑料袋,那么它吃进去了吗?如果吃进去了,它消化了吗? “如果说这个问题能够证实的话,那么这将是非常重要的一个发现。”

  杨军表示,过去50年,全球塑料产量增长了20倍,累计产生了70亿吨塑料垃圾。由于塑料是分子量数万到数十万的高分子材料,再加上它的物理化学性质稳定和疏水的特点,所以按照目前的研究估计,塑料在自然界中降解需要500年以上。近年来,生物基可降解塑料的问世大大提升了塑料的降解速度,但依然存在成本高、推广难的问题。实现塑料快速降解是各国生物、化学、环保等领域的科学家多年来的梦想。

  蜡虫靠吃塑料袋,也能活下去

  “2004年我们发现了虫子吃塑料这个现象之后,我就带着研究生秦小燕做了两年的一个研究。我们通过各种渠道购买和培养了蜡虫,通过解剖将其肠道内含物取出,接种于仅仅铺有聚乙烯薄膜的无碳培养基上。”杨军说。碳是维持生命的主要元素,如果不给蜡虫葡萄糖、淀粉等碳源,只给聚乙烯薄膜,蜡虫要么依靠聚乙烯进行代谢繁殖,要么因没有能量来源而死掉。实验进行了28天,他们通过电镜观察接种肠菌的聚乙烯薄膜发现,蜡虫肠道内含物侵蚀并穿透了塑料薄膜。这意味着蜡虫的肠道微生物降解利用了塑料。“在中科院微生物所用电镜看到塑料薄膜穿孔时,我们师生激动地拥抱在一起。”时隔几年,回忆起那时的情景杨军依然很兴奋。

  以上实验结果充分证明了蜡虫及其肠道微生物可以啮食并降解聚乙烯。2014年他们的论文投稿后很快被发表在环境科学领域顶尖期刊《环境科学与技术》。文章发表后,引发了一阵报道热潮,欢呼“聚乙烯可以生物降解了!”其中,美国化学学会的新闻周刊进行了提前采访报道,认为杨军教授的工作开创了去除持久性固体废弃物、直接降解塑料的新途径新方法。

  黄粉虫爱吃麦麸,也爱吃泡沫塑料

  同时,杨军团队扩大调研范围,看到有关泡沫塑料板被黄粉虫啃食的报道,杨军团队决定用个头大很多的黄粉虫试着降解“白色污染”——聚苯乙烯,也就是常见的一次性使用的白色泡沫塑料。“我们喂了500条黄粉虫,30天之内它可以吃聚苯乙烯,就是吃泡沫塑料,它可以吃到1.8克。我们进行对照实验,给它吃泡沫塑料,同时也给它喂它最喜欢的麦麸,两组的存活率没有显著差异。在30天之内吃这个泡沫塑料,它一样可以长得很好,所以泡沫塑料也可以做黄粉虫的一个食物来源。”杨军说,最后的结果证明,黄粉虫把聚苯乙烯降解矿化为了二氧化碳,同时它也同化转化成了这个虫子的肌体。所以这个就充分证明了黄粉虫能够对聚苯乙烯进行降解利用。

  13年冷板凳“焐出”一位网红科学家

  扬子晚报紫牛新闻记者了解到,目前,受到杨军实验的启发,美国有二十几家农场用泡沫塑料养黄粉虫。还有直接联系他们做这个研究的,有小学生、中学生、大学生、研究生还有多位教授。“跟我直接联系的大概有50位以上,而且我们这个研究成果,已经进入了多个国家的科学博物馆,还有中小学的教科书和参考书。”杨军说。

  《自然-材料》期刊在去年5月以“塑料已经美味可餐”为题,高度评价了由杨军等工作引发的石油基塑料生物降解的研究进展。

  从2004年开始一直“闷头”搞科研的杨军去年12月份高调了一把,走上了CC讲坛。在这个立志做中国版TED的公益讲坛上,杨军讲了一个“虫子吃塑料”的故事,可他没料到自己会因此而“走红”。截至目前,杨军的演讲视频播放量近400万,创该平台演讲播放量新高。

  “挑战不可能,虫子吃塑料” “祸害地球500年,20世纪最糟糕的发明,北航科学家用一条虫子来治愈” “塑料能被虫子吃掉?” “白色污染有救了?”……朋友圈被这些标题刷屏,杨军有些不适应。

  杨军的研究被高分子材料领域专家、北京大学原校长周其凤院士评价为“世界级工作”。回首过去的十几年,杨军说,除了感谢自己和团队的坚持,也很感激众多合作者的大力支持。“都说基础研究要甘坐冷板凳,但首先得有坐下去的环境。”杨军说,北京航空航天大学化学学院院长江雷院士对他的鼓励和坚定支持让他能走到现在,“十年没发文章,也没拿经费,他还能容忍我、支持我,江院士是一位具有洞察力和宽容胸怀的战略科学家”。

  类似研究

  西班牙生物学家:

  数百只蜡虫12小时吃近百毫克塑料袋

  被养蜂业视为害虫的大蜡螟的幼虫,居然能直接吃掉并消化聚乙烯。据法新社去年上半年的一篇报道,这是西班牙生物学家费德丽卡·贝尔托基尼偶然在家中发现的。这位女生物学家供职于西班牙坎塔夫里亚生物医学和生物技术学院。

  据报道,爱好养蜂的她在清理蜂巢时,用塑料袋把在其中偷吃蜂蜡的虫子装在一起,没想到“过了一会儿,我看见袋子上全是洞,虫子到处爬”。惊讶于大蜡螟“吃货”幼虫对塑料的“战斗力”,贝尔托基尼联合英国剑桥大学的生化学家保罗·邦贝利的科研小组,共同开展对这种幼虫的研究,以确定它们究竟能以多快的速度,消耗多少对环境有害的塑料。

  科研人员进行的第一项实验是,把数百只虫子放在一只塑料袋上,结果不到40分钟,袋子上已开始出现小洞。12个小时后,虫子已吃掉92毫克的塑料制品,比用真菌和细菌进行生物降解的速率要快得多。

  第二项实验则确认,这种幼虫能将塑料大餐完全消化,并将其化学成分分解。

  第三项实验的结果更惊人:将捣碎的幼虫放在塑料袋上,也能得出类似结果,这说明幼虫体内的某种酶或其他特定物质是塑料的克星。

  贝尔托基尼认为,幼虫的唾腺或它们内脏中的共生细菌,能产生这种能消化塑料的物质。不过,目前尚不清楚这种物质是单一酶还是多分子化合物。

  在解释为何这种幼虫能消化塑料时,贝尔托基尼说,大蜡螟传统意义上以蜂蜡为食,而蜡是种聚合物,相当于“自然界的塑料”,与聚乙烯的化学结构“多有相似”。

  为应对塑料污染问题,贝尔托基尼认为,“将数百万只幼虫放到塑料袋上肯定不可行”。目前科研人员仍需确定并提取出这种能分解塑料的特定物质,并据此人工生产活性剂。

  对话杨军:“虫吃塑料”产业化还有多远?

  Q:听说杨教授是我们江苏老乡,能请杨教授说说自己的家乡情怀吗?

  A:我老家在江苏宜兴,那里是全国知名的环保之乡。家乡环保公司众多,我94年到98年在清华读环境工程博士时,跟宜兴的环保企业有一些合作。后来从北大到北航,只要家乡需要,我们在北京的宜兴老乡都会为家乡提供支持。

  我家与扬子晚报颇有渊源,我和我父亲都是扬子晚报的忠实读者。我父亲订扬子晚报二十多年了,他每天吃完早饭就开始读扬子晚报,我们现在虽然不在老家也会读,报纸确实办得很好。

  Q:为什么说接下来研究的重点在降解机制方面?

  A:我们现在发表的文章主要证实了虫子“吃”塑料,虫子肠道微生物和酶体系可以高效降解塑料。我们用比较全面深入的证据证明了塑料降解的过程,但是有些关键科学问题还需要进一步用直接证据加以证明,例如什么功能基因?什么关键酶?通过什么代谢途径等问题。这些也是认识塑料降解“阿喀琉斯之踵”(最薄弱的环节)必须要知道的生物学机制。

  Q:虫子“吃”塑料这个项目是否已列入国家级的研究计划?

  A: 2017年4月,中国已经将”微生物组”研究计划列入《“十三五”生物技术创新专项规划》,2016年5月美国前总统奥巴马把“微生物组”研究列为第四个重大国家科研计划,它们都有研究肠道微生物的主要内容。发现虫子肠道微生物和酶体系可以高效降解塑料,这是具有“中国标签”的创新性的工作,我们相信国家微生物组重点研发计划会支持我们的工作,这样我们就能更好地加快基础科学和应用技术研究,促进产业化进程。

  Q:有网友担心:能“吃”塑料的虫子会不会大量繁殖,成为新的环境威胁?

  A:我们目前报道的两种虫子实际上都是害虫,本身存在于自然界,有自己的生活方式。首先,从研究的角度来讲,我们用的黄粉虫还有很多用途。它们经微波炉处理一下,就是非常好的食物,不仅高蛋白、脂肪含量也不错。

  在空间站里,宇航员也在用它来试验处理空间站的生活垃圾,再转化为宇航员的食物。将来如果人类到月球、火星去生活都可以用上它们。另外比较意思的是我们已经有朋友在山西祁县搞黄粉虫饲养扶贫项目,帮助很多家庭每年增加收入几千甚至上万元收入。

  第二,目前饲养的黄粉虫如果扩散到环境当中,它的生存能力并不太强。

  第三,更为重要的是生物伦理如同“紧箍咒”,我们研究生物的人一定会合理有效控制害虫和微生物,服务人类和科学,而不是危害人类和环境。我们将来的工作不会完全依赖虫子,而会注重研究肠道里面的微生物,模拟虫子肠胃环境,利用肠道微生物和酶的体系实现塑料降解,这也是我们的科研目标。所以在现有的研究中,不用担心过度繁殖和环境扩散的问题。

  Q:塑料降解过程会不会产生新的有害物质?

  A:从塑料这一类高分子合成材料的特有结构看,碳碳单键长链断开之后分子量降低,如果降解彻底,产物就是二氧化碳,肯定没事。如果降解不彻底,中间产物还是不同长度分子量的高分子物质,本身一般不会有毒性。

  Q:西班牙生物学家的这项实验和你的研究有何异同?能帮网友分析对比一下吗?

  A:西班牙科学家的实验跟我们是异曲同工的。我们用的是谷螟,他们用的是大蜡螟,这两种虫生物学上属于同一个大类。只是他们比我们晚了3年,是在我们的论文和发现过程的报道之后,应该受到我们文章和报道的启发。从科研角度看,感觉他们实验论证的不够充分。

  Q:大家都知道,从基础研究到产业化造福人类,还有很长很艰难的路要走。那么,“虫吃塑料”产业化大致要经过几个步骤?请你预估一下时间,多久能实现?

  A:接下来我们要继续进行基础研究,同时着手产业化。例如,开发出降解可控的新型材料,以及制造出仿肠道环境的生物反应器等等,具体几个步骤不便于说。实现的时间,跟各方人力和资金的投入有关,所以更没法预估。

  “今日长缨在手,何时缚住苍龙?”在近期的一次演讲中,富有激情的杨军教授用这句话来形容自己当下的心境。“我相信,我们科学家跟企业家共同努力,一定能缚住塑料垃圾这条‘长龙’。”

  紫牛新闻记者|杨志敏

  紫牛新闻实习生|管筱

编辑:邓晓琦  
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