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中国科学家杨军讲述用虫子治理白色污染
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来源: 瞭望智库 作者: 瞭望智库发布时间:2017/12/18评论:0+收藏文章

 

“空窗期”的偶然发现

我是来自北京航空航天大学的杨军,跟大家分享过去十三年我发现虫子吃塑料的这个故事。大家来看这是个什么?这是一架飞机,但是这是一架对中国人来讲是个伟大的飞机。因为这是中国自主研发设计国际合作制造的大飞机C919。它已经在今年的5月5号,在上海首飞。前天11月10号,已经转场到了西安的阎良。

它最重要的就是国家力争上马的论证是在2003年的11月到2004年的7月。这是国家中长期科技发展规划16个重大专项当中的重中之重,难中之难。

那么我当时是作为北航的负责民口科研的科技处的副处长,很荣幸担任了整个认证秘书组的组长,所以全程的深度的参与组织了整个论证过程。当然作出了自己的贡献,也获得了国家的一些表彰。

那么为什么要说大飞机这个事情呢?因为就是在大飞机论证过程当中那个春节,就在紧张的论证环节,相当于一个空窗期。我在家里做稀饭,我发现装小米的那个塑料袋被咬坏了很多的洞,这里面有蛾子飞出来,也有虫子在里面爬。

因为我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,我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。为什么呢?

 

塑料袋:20世纪最糟糕的发明

塑料它是一大类的人工合成的可塑性的树脂材料。它被发明是以1907年塑料之父贝克兰注册酚醛合成树脂的专利为标志,塑料的发明为人类开创了新的生活。

但是不到100年,由于塑料突出的环境问题,英国的《卫报》把塑料袋评选成为20世纪最糟糕的发明。在过去的50年里塑料的生产产量全球已经增加了20倍,在环境当中留下了70亿吨的塑料袋垃圾。2016年的塑料产量是3.2亿吨,中国占了1/4。

由于塑料是高分子量,数万到数十万的分子量,再加上它的物理化学性质的稳定,包括它疏水的特点,所以按照目前的科学估计,塑料在自然界当中降解需要500年以上。

近年来海洋里塑料污染的问题必须重视,《科学》杂志就报道每年有800万吨的塑料被冲到大海里面,就形成了相当于法国或者200个上海这么大面积的一个太平洋的塑料垃圾飘移带。

在中国的食盐里面已经发现了这样的塑料微粒,所以对于全球的科学家来讲它是个非常严重的挑战。

 

西天取经

基于我们对塑料这个垃圾严重性的认识, 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,最后证实了蜡虫可以吃塑料,而且它的肠道的微生物可以降解塑料。

所以得到这个消息的时候,当时我们非常地兴奋,我们师生之间拥抱着庆贺。但是当时感觉到研究的深度跟数据还是不够的,要是不发表这个文章就太可惜了。加上那时候自己的技术研究的功力还不够,所以决定西天取经,到了牛津去做了一年的访问学者。

回国以后在我们新成立的化学学院,在江雷院士的坚定的支持下,我联合了斯坦福的吴唯民教授、华大基因的微生物平台的杨瑞馥教授,还有赵娇博士、博士生杨宇,还有一些研究生,我们经过了四年的努力取得了一些突破性的成果。文章发表以后在世界上产生了比较大的影响。

 

蜡虫是怎么降解塑料的?

那么下面我就跟大家分享其中的两个已经发表的例子。第一个例子就是蜡虫,它觅食跟降解聚乙烯。我们怎么做的呢?我们解剖了这个蜡虫,拿到里面肠道的内含物,然后跟塑料聚乙烯进行富集培养。培养完以后,我们用培养基把它分离,分离出来以后有纯的菌株。这些菌株有些就有比较强的降解的能力,然后再进行鉴定。

我们这里选择其中的两株菌,一个是阿氏肠杆菌,还有一个就是芽孢杆菌。这两株菌大家可以看到,它都是没有别的可吃的,只有这些薄膜。

它在上面长得非常好,形成了成熟的生物膜,而且这个生物膜是非常致密的,它的活性很强,可以侵蚀腐蚀掉聚乙烯的表面。

它的怎么去腐蚀和降解呢?它是把聚乙烯的这种长链的C-C的这种单键氧化断裂成为一个亲水的碳氧双键的羰基,这就是它降解的一个机制,所以它就变了,它的表面更加的亲水。

在这里我们可以看到培养六十天的话,它可以使得聚乙烯减重6%和11%,聚乙烯的分子量可以降到6%到13%。

这个工作我们很快就总结出来,就投给了在环境科学领域里最顶尖的期刊叫《环境科学与技术》《Environmental Science & Technology》。这个工作发表完以后就引起了新闻报道的热浪,他们欢呼聚乙烯可以生物降解了。

那么其中美国化学会《新闻周刊》ACS News Service Weekly PressPac,采访了我们并且做了一个同步的报道。他认为我们的工作是开创了一个祛除难降解的固体废弃物包括直接降解塑料的一个新的途径和方法。

还有化学与工程新闻也是采访了我们,同步报道了。他认为我们的工作首次提供了关于聚乙烯细菌降解的最详实的化学证据。

 

塑料转化成肌肉

第二个例子,黄粉虫觅食跟降解聚苯乙烯。黄粉虫也是个害虫,但是它也是个美食。因为它高蛋白高脂肪,而且我们的宇航员现在在国际空间站里面就吃这个,我们将来宇航员也会吃这个,非常有意思的事情。当然我们将来上火星、上月球宇航员也都吃这个。

那么聚苯乙烯大家知道,就是我们现在常见的白色塑料。如果我们一次性用过以后,扔下的垃圾白色塑料,它就是罪魁祸首。

我们在这里面做了一个实验,我们喂了500条这样的虫子,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,同时也给它吃它最喜欢的麦麸,两个的存活率是没有显著的差异,所以在30天之内吃这个泡沫塑料,它一样可以长得很好。如果给它泡沫塑料和麦麸的话,它两个都可以吃并生长,所以泡沫塑料也可以做黄粉虫的一个很好的食物来源。

它吃完以后,我们就收集这个虫粪。吃了麦麸的和吃了泡沫塑料的虫粪,我们用一种化学的方法叫GPC凝胶渗透色谱证明了它的分子量子降低了。

另外从热重的角度,虫粪里面所含的聚苯乙烯的分子量降低了,而且它的含量也降低了。

它吃进去的这些泡沫塑料是怎么转化的呢? 50%都转化为二氧化碳和虫子的肌体,我们就说它长肌肉了。

那么为了更加科学地证实降解的科学性和真实性,我们这里面采用了在生物化学机理研究当中的一个精标准的方法叫做同位素示踪的方法。就是用碳-13标记的聚苯乙烯还有麦麸来喂食黄粉虫。

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把聚苯乙烯进行降解。

在这里面附带说一句,这个碳-13标志的聚苯乙烯非常贵,比黄金要贵几十倍。所以我当时做这个实验以后几乎叫弹尽粮绝,我的科研经费本上只有4000元钱,但是这个关键的实验还是要做。

 

证实肠道菌群在起作用

我们再看看在整个过程当中黄粉虫的肠道菌群起什么作用呢?我们先做了一个抑菌圈的实验,确定了庆大霉素对肠道菌群的抑制能力是最强的,然后我们给黄粉虫喂食庆大霉素。十天以后,肠道里面的菌群--我们叫微生物也好细菌也好就降到零了。那么如果它再吃了聚苯乙烯,它降解的效率就很低了。我们再用碳-13标记的聚苯乙烯来做的话,也是同样的结果。

所以这就充分证明了肠道菌群在整个黄粉虫降解聚苯乙烯的过程当中发挥了主要的作用。

我们再进一步像第一个例子一样,同样的方法去用肠道里面的微生物分离出来的高效降解聚苯乙烯的这些菌株做同样的实验。

你看这些细菌,一个叫微小杆菌,一个叫金黄杆菌,它也能够在聚苯乙烯的这个薄膜上面非常好地生长。因为它的活力很强,而且它也能够腐蚀或者侵蚀聚苯乙烯膜的表面,能够使得聚苯乙烯膜的亲水性增强,疏水性降低。

如果我们把它培养60天的话,它可以使得聚苯乙烯的重量减重6.5%到7.5%,而且也能够使聚苯乙烯的分子量降低。

所以我们根据前面的这个实验的结果,又绘制了一个聚苯乙烯在黄粉虫肠道里面降解过程的一个示意图。这个也是当时因为我们投《Nature》的时候,它的评阅者要求我们这么画的。

 

塑料已经美味可餐

这个工作是根据自然现象偶然的一个发现,又是针对塑料垃圾这个世界性的难题,而且我们做的工作比较系统,也有突破性的结果,所以我们当时就去投了学术期刊里最好的杂志《Nature》和《Science》,包括美国科学院的院刊《PNAS》。

好消息是我们所有的投稿很快就被送审了。坏消息是最后都被拒了,其实在《PNAS》我们还修改了两次。主要的原因是什么呢?主要是材料学的评阅人还是坚持认为60年以来这个固有的观念,塑料是不能生物降解的。

所以后来我们因为时间比较紧,再加上数据量很大,所以我们有两个姊妹篇又投给了《环境科学与技术》《Environmental Science & Technology》。因为我们2014年的工作报道的轰动效应,他们很快也接受发表了。

这个文章发表的第二天,《科学》杂志在它的故事精选的栏目Sifter里面报道了我们的工作。《新闻周刊》就是仅次于美国的《时代周刊》,它也是采访我然后报道了这个事情。它认为我们这个研究能够对解决塑料垃圾这个大问题产生巨大的影响。

那么其它的一些报道,比如说CNN包括C&EN,包括《赫芬顿邮报》等等,大概有数百家这样的媒体都采访报道了我们的工作。它们评论我们的发现是一个革命性的,是过去十年环境科学领域最大的突破之一。

我们论文的发表为塑料的生物降解研究和论文的发表带来了春天。这里发表了很多的文章,正如《自然》杂志《材料》子刊,今年6月份它以这样的题目,叫“Plastics on the Menu”。我翻译成叫“塑料已经美味可餐”,来欢呼这个春天的到来。

而更有意思的事情就是文章发表以后,美国有二十几家农场就用泡沫塑料来去养这个黄粉虫。跟我们直接联系的就是要做这个研究的,大概有小学生、中学生、大学生、研究生还有好多教授,大概跟我直接联系的有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。

 

从500年到24小时

我总结我们的工作就叫做Make impossible possible--使得不可能成为可能。就是挑战了塑料不能生物降解这个世界性的难题。昆虫的肠道高效降解细菌是在24小时之内,自然界的降解大概需要500年。所以我们开创了一个颠覆性的技术,而且我们非常自豪的说这是带有中国标签的工作!当然这也是我们师法自然,化害为利,十年一剑的努力的结果。

那么回溯有关虫子吃塑料这个方面的文献,我们可以找到1954年加州大学的一篇文献,也是印度谷螟来觅食塑料袋,那么五十年以后2007年仍然还有这样类似的报道。但是很遗憾因为他们都是昆虫学家,他们没有从逆向思维的角度去利用害虫的这个习性,就错过了非常好的发明的机会。

所以我认为我们这个发现的过程类似于1928年弗莱明发现青霉素。我们都是偶然发现而且意义非常重大。在我们的文章发表以后,有很多科学家跟我讲,这个现象司空见惯,但是我们都熟视无睹。所以有句西方谚语说得好,“机会都是留给有准备的人”。

 

继续寻找塑料的阿喀琉斯之踵

那么怎么样做一个有准备的人?我想第一是应该有好奇心。因为好奇心是整个科技工作者的一个创新的源泉,也是他第一的美德。第二个就是要有多学科的知识储备。我是化学出身,但博士是做的环境生物技术,当时在北航的材料学院,所以这样才有这样的一个机会在空窗期来的时候能够激发灵感,当然还有能力去跨界进行思维。第三点就是作为一个环境人的一个专业的情怀,还有就是我们要甘于坐冷板凳的这种坚持。

当然我们现在的研究仍然是万里长征第一步,我们还要不忘初心,继续努力去找到这个塑料的阿喀琉斯之踵。什么意思呢?那就是找到塑料降解的、生物降解的最薄弱的环节。现在中国的微生物组计划已经列入十三五的规划,我们希望在这样的计划的支持下,围绕着昆虫肠道微生物组做好基础研究,同时要发展颠覆性的技术,并且要实现产业化的应用。

那么正如毛主席1935年长征途中讲的,今日长缨在手,何时缚住苍龙。所以我相信,在我们科学家跟企业家的共同努力之下,我们一定能够缚住危害全球环境的塑料垃圾的这条长龙。(2017-12-17  瞭望智库)

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