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黄粉虫降解塑料:治理白色污染的终极武器?

养殖资讯 鸡苗养殖基地 4周前 (04-14) 1次浏览 0个评论

近日,许多媒体都报道了这样一项科研进展:来自中美两国的研究人员发现,黄粉虫这种昆虫的幼虫,即俗称的面包虫,能够吞食和降解塑料。消息传出后,不少读者都倍感欣慰,认为长期困扰人类社会的白色污染问题终于有了解决之道。但也有一些读者表示不解,认为黄粉虫能以塑料为食早就不是什么惊天的秘密。甚至有人在搜索之后发现,早在十余年前就有国内的中学生发现黄粉虫可以吃掉塑料,怀疑此次报道的研究不仅毫无新意,甚至有剽窃他人成果之嫌。

(图片来源:http://mainland.cctt.org/istf2010/Ocean.asp)

那么这究竟是怎样的一项研究,对于治理当下的塑料污染问题又有什么样的意义呢?

此次关于黄粉虫降解塑料的研究,实际上可以看作近年来方兴未艾的生物可降解塑料这一研究领域的一个组成部分。因此要想准确理解这项研究,我们首先有必要了解一下什么是生物可降解塑料。

黄粉虫降解塑料:治理白色污染的终极武器?

正在取食聚苯乙烯的黄粉虫幼虫[1]

我们知道,人类很早就开始利用天然存在的高分子材料,像棉花、纸张和蚕丝都是很好的例子。然而从19世纪末20世纪初开始,随着科技的进步,这些天然高分子材料逐渐被塑料、合成橡胶、合成纤维等人工合成的高分子材料所取代。究其原因,一是合成高分子材料可以以煤和石油等化石燃料为原料,摆脱了对宝贵的土地资源的依赖;二是合成高分子材料的性能往往大大优于它们在自然界的同类。事实上,这些合成材料不仅代替了天然高分子材料,而且抢了不少钢铁、玻璃、水泥等传统无机或者金属材料的“饭碗”。

然而合成高分子材料也存在一个严重的弊端:不像天然存在的高分子可以被环境中的微生物降解,合成高分子材料一般性质非常稳定,在环境中可以长时间存在。因此废弃的高分子材料,尤其是塑料,造成了严重的环境问题,也就是通常所说的“白色污染”。

为了解决合成高分子材料造成的环境问题,近年来研究人员提出了生物可降解塑料 (biodegradable plastics) 这一新概念,希望合成的高分子材料也可以像天然高分子材料那样在环境中迅速降解。那么究竟什么样的材料可以被称为生物可降解塑料?一般认为,这样的材料必须满足以下两条标准[2, 3]:

首先:这种材料必须能够在合理的时间内被环境中的微生物降解。当然,究竟什么是”合理的时间“恐怕很难有统一的标准,但一般认为一年或者几年是可以接受的,或者说降解速度要与天然的高分子材料相当。如果一种塑料要经历几十年或者上百年才能降解完全,称之为生物可降解塑料是不合适的。

其次,降解的产物必须是水、二氧化碳(厌氧条件下也允许包括甲烷)、无机物、生物质以及其他可以被转化为以上几种物质的无毒的降解产物。也就是说,降解的产物必须无毒无害,并且进入环境后能够被生物体再利用。这一条标准同样很重要,如果某种塑料被微生物降解成对环境有害的物质,那还不如不降解为好。

实际上近年来,许多研究人员和监管机构认为,“可堆肥塑料”(compostable plastics) 这个名称要比生物可降解塑料更为准确。因为“生物可降解”仅仅要求高分子材料原有的化学结构被破坏,而“可堆肥”则进一步要求降解的产物能够成为被生物体利用的养料,与农业生产中将有机质通过发酵变成农作物可以吸收的养料的行为,也就是通常所说的堆肥类似。“可堆肥”真正地保证了高分子材料能够以安全绿色的方式回归自然。

用上面两条标准去衡量,目前市面上的合成高分子材料中可以称得上可堆肥塑料的只有聚乳酸等屈指可数的几种。虽然这些材料正在获得更为广泛的应用,但由于性能等方面的限制,它们还很难取代其他难以降解的塑料。而且它们虽然可以被微生物完全降解,降解的条件仍然有很多限制。例如聚乳酸的降解需要水的参与,如果湿度太低,降解过程将变得极为缓慢。又如用于降解的聚乳酸的分子量不能太大,否则微生物很难“下嘴”[4]。因此,像聚乳酸这样的材料虽然符合可堆肥塑料的标准,让它们彻底回归自然也不仅仅是埋在自家后院里那么简单。

黄粉虫降解塑料:治理白色污染的终极武器?

在合适的条件下,聚乳酸能够被环境中的微生物彻底降解[4]

对于应用更为广泛的聚乙烯、聚酯等塑料,由于常规条件下它们的性质非常稳定,研究人员想出了一些办法来加速它们的生物降解。例如在它们的分子中引入一些更容易被微生物攻击的结构、加入特殊的添加剂或者与天然存在的高分子材料混合等。通过这样的方法,许多白色污染的“罪魁祸首”摇身一变,成了对环境友好的明星材料。

然而近年来有研究人员警告,许多用这种方法生产所谓的生物可降解材料能否真正降解仍然是个未知数。例如某些宣传生物可降解的聚乙烯薄膜,在环境中放置一段时间后确实会消失不见,但很可能只是大块的薄膜变成了肉眼难以察觉的小碎片,这些小碎片仍然可以长期在环境中存在,甚至有可能吸附有毒物质 [5]。这种自欺欺人的行为很有可能给环境造成更大的危害。

今年早些时候,有研究人员测试了几种宣称能够加速塑料的生物降解过程的添加剂,测试结果用当下流行的网络词汇总结就是三个字:然并卵。例如把混有这些添加剂的聚乙烯或者聚酯薄膜埋在土壤中三年后,薄膜仍然完好无损,基本上没有被微生物降解[3]。当然,仅凭一次测试就将市场上的生物可降解塑料一棍子打死或许有失公允,但这多少反映出通过生物降解的办法来治理白色污染并没有想象的那么容易,而很多宣称的生物可降解塑料很可能名不副实。

黄粉虫降解塑料:治理白色污染的终极武器?

普通的聚乙烯薄膜(上)与添加了宣称能够加速生物降解过程的添加剂的聚乙烯薄膜(中、下)埋入土壤三年后(右)与埋入前(左)的比较[3]

接下来让我们回到黄粉虫降解塑料这项发现。与前面提到的研究不同,这项研究不再是通过改变化学结构等方法加快塑料的生物降解,而是反过来寻找能够更好地降解塑料的生物,不过从本质上来说,大家都是试图通过生物降解的手段消除塑料造成的环境问题。

通过检索我们不难发现,确实早就有人观察到黄粉虫能够以塑料为食[6,7]。然而这些研究的局限在于,实验者仅仅观察到黄粉虫可以取食塑料,但无法证明被黄粉虫吃下的塑料究竟被转化成了何种物质,因此很难令人信服地表明黄粉虫可以降解塑料。做出这些发现的主要是业余科学爱好者,系统检测塑料在黄粉虫体内的代谢过程已经远远超过了他们的能力范围。

相反,此次来自中美两国的研究人员利用先进的检测手段,成功证明聚苯乙烯塑料被黄粉虫取食后确实有一部分变成了二氧化碳和黄粉虫自身的生物质,这就无可辩驳地证实黄粉虫确实能够降解塑料[1]。不仅如此,研究人员还进一步证实,黄粉虫之所以能够消化塑料,是由于其消化道中的细菌在帮忙,并且成功分离鉴别出这种细菌,为进一步的研究奠定了基础[8]。需要说明的是,包括斯坦福大学官方新闻在内的许多媒体在报道时都宣称这项研究是斯坦福的研究人员做出的,实际上这是非常不妥的,因为该研究的两位负责人都来自北京航空航天大学。

那么这项新的发现是否能够帮助我们消除塑料造成的污染呢?答案是恐怕未必。通过研究人员给出的数据我们不难发现,被黄粉虫吃下的聚苯乙烯有一半左右变成二氧化碳排出体外,很少一部分留在黄粉虫体内,剩下的一半都通过粪便被排泄掉。作者同时发现, 在粪便中仍然可以检测到平均分子量相当于原先80%的聚苯乙烯,也就是说聚苯乙烯并没有完全消失。

黄粉虫降解塑料:治理白色污染的终极武器?

被黄粉虫取食的聚苯乙烯塑料的去向:红色表明转化为生物质,黄色表明转化为二氧化碳,绿色表示随粪便排出体外[1]

根据这些数据,一个合理的推断是,黄粉虫虽然从塑料中获取养分,但无法按照我们前面提到的第二条标准将其彻底降解。残存在黄粉虫粪便中的聚苯乙烯以及其它可能的降解产物对环境会产生什么样的影响,目前恐怕仍然是个未知数。事实上,虽然大多数媒体对于这项研究毫不吝惜赞美之辞,化学领域的专业媒体《化学化工新闻》(C&EN) 表现得却较为冷静和谨慎。他们援引的一位业内人士也指出聚苯乙烯并没有被完全降解,对环境仍然可能产生负面影响[9]。当然,此次的发现仍然为进一步的研究提供了重要的基础。例如我们可以进一步分析究竟是哪些酶参与代谢聚苯乙烯,这些酶又是由哪些基因调控的。

综上所述,发现黄粉虫能够降解塑料是一项很有意义的工作,但距离真正投入应用恐怕还有不小的距离。要想彻底解决合成高分子材料带来的环境问题,我们仍然有很长的路要走。

参考文献:

[1] Yu Yang, Jun Yang, Wei-Min Wu, Jiao Zhao, Yiling Song, Longcheng Gao, Ruifu Yang, and Lei Jiang, “Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 1. Chemical and Physical Characterization and Isotopic Tests”, Environmental Science & Technology, DOI: 10.1021/acs.est.5b02661

[2] US Composting Council, “Compostable Plastics 101”, http://compostingcouncil.org/compostable-plastics-task-force/

[3] Susan Selke, Rafael Auras, Tuan Anh Nguyen, Edgar Castro Aguirre, Rijosh Cheruvathur, and Yan Liu, ” Evaluation of Biodegradation-Promoting Additives for Plastics”, Environmental Science & Technology, 2015, 49, 3769

[4] Gaurav Kale, Thitisilp Kijchavengkul, Rafael Auras, Maria Rubino, Susan E. Selke and Sher Paul Singh, “Compostability of Bioplastic Packaging Materials: An Overview”, Macromolecular Bioscience, 2007, 7, 255

[5] Prasun K. Roy, Minna Hakkarainen, Indra K. Varma, and Ann-Christine Albertsson, “Degradable Polyethylene: Fantasy or Reality”, Environmental Science & Technology, 2011, 45, 4217

[6] http://tech.sina.com.cn/other/2003-12-30/0922275146.shtml

[7] http://www.tiaozhanbei.net/project/11317/

[8] Yu Yang, Jun Yang, Wei-Min Wu, Jiao Zhao, Yiling Song, Longcheng Gao, Ruifu Yang, and Lei Jiang, “Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 2. Role of Gut Microorganisms”, Environmental Science & Technology, 2015, DOI: 10.1021/acs.est.5b02663

[9] http://cen.acs.org/articles/93/web/2015/09/Mealworms-Munch-Polystyrene-Foam.html

原文:https://tst3.com/article-show-id-31200.html


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