科學也可以如此靠近

禍害地球500年,20世紀最糟糕的發明中國科學家用一條蟲子治好了!


2018年6月01日11時 今日科學 新財富雜誌
新財富雜誌

如果家裡的小米生蟲子了

而且蟲子把塑料袋咬破了

你會怎麼做?

抓緊清理掉?

順便把家裡衛生收拾一下?

看到同樣的一幕

他卻進一步思考

破掉的塑料袋是被蟲子吃進去了嗎?

如果吃進去了,塑料袋被消化了嗎?

幾個簡單的追問引發了他和團隊13年的潛心研究

最終他發現蟲子的腸道菌群可以降解塑料

楊軍

北京航空航天大學化學學院教授

我是來自北京航空航天大學的楊軍,跟大家分享過去十三年我發現蟲子吃塑料的這個故事。

大家來看這是個什麼?這是一架飛機,但是這是一架對中國人來講是個偉大的飛機。因為這是中國自主研發設計國際合作製造的大飛機C919。它已經在今年的5月5號,在上海首飛。前天11月10號,已經轉場到了西安的閻良。

它最重要的就是國家力爭上馬的論證是在2003年的11月到2004年的7月。這是國家中長期科技發展規劃16個重大專項當中的重中之重,難中之難。

那麼我當時是作為北航的負責民口科研的科技處的副處長,很榮幸擔任了整個認證秘書組的組長,所以全程的深度的參與組織了整個論證過程。當然作出了自己的貢獻,也獲得了國家的一些表彰。

那麼為什麼要說大飛機這個事情呢?因為就是在大飛機論證過程當中那個春節,就在緊張的論證環節,相當於一個空窗期。我在家裡做稀飯,我發現裝小米的那個塑料袋被咬壞了很多的洞,這裡面有蛾子飛出來,也有蟲子在裡面爬。

因為我是清華環境工程專業的博士,做的是環境生物技術。當時突然就來了一個靈感,我想這個蟲子它咬破了塑料袋,那麼它吃進去了嗎?如果吃進去了,它消化了嗎?如果說這個問題能夠證實的話,那麼這將是非常重要的一個發現。為什麼呢?

塑料袋:20世紀最糟糕的發明

塑料它是一大類的人工合成的可塑性的樹脂材料。它被發明是以1907年塑料之父貝克蘭註冊酚醛合成樹脂的專利為標誌,塑料的發明為人類開創了新的生活。

但是不到100年,由於塑料突出的環境問題,英國的《衛報》把塑料袋評選成為20世紀最糟糕的發明。在過去的50年里塑料的生產產量全球已經增加了20倍,在環境當中留下了70億噸的塑料袋垃圾。2016年的塑料產量是3.2億噸,中國占了1/4。

由於塑料是高分子量,數萬到數十萬的分子量,再加上它的物理化學性質的穩定,包括它疏水的特點,所以按照目前的科學估計,塑料在自然界當中降解需要500年以上。

近年來海洋里塑料污染的問題必須重視,《科學》雜誌就報導每年有800萬噸的塑料被衝到大海裡面,就形成了相當於法國或者200個上海這麼大面積的一個太平洋的塑料垃圾飄移帶。

在中國的食鹽裡面已經發現了這樣的塑料微粒,所以對於全球的科學家來講它是個非常嚴重的挑戰。

西天取經

基於我們對塑料這個垃圾嚴重性的認識, 2004年我們發現了蟲子吃塑料這個現象之後,我就帶著研究生秦小燕做了兩年的一個研究,最後證實了蠟蟲可以吃塑料,而且它的腸道的微生物可以降解塑料。

所以得到這個消息的時候,當時我們非常地興奮,我們師生之間擁抱著慶賀。但是當時感覺到研究的深度跟數據還是不夠的,要是不發表這個文章就太可惜了。加上那時候自己的技術研究的功力還不夠,所以決定西天取經,到了牛津去做了一年的訪問學者。

回國以後在我們新成立的化學學院,在江雷院士的堅定的支持下,我聯合了斯坦福的吳唯民教授、華大基因的微生物平台的楊瑞馥教授,還有趙嬌博士、博士生楊宇,還有一些研究生,我們經過了四年的努力取得了一些突破性的成果。文章發表以後在世界上產生了比較大的影響。

蠟蟲是怎麼降解塑料的?

那麼下面我就跟大家分享其中的兩個已經發表的例子。第一個例子就是蠟蟲,它覓食跟降解聚乙烯。我們怎麼做的呢?我們解剖了這個蠟蟲,拿到裡面腸道的內含物,然後跟塑料聚乙烯進行富集培養。培養完以後,我們用培養基把它分離,分離出來以後有純的菌株。這些菌株有些就有比較強的降解的能力,然後再進行鑑定。

我們這裡選擇其中的兩株菌,一個是阿氏腸桿菌,還有一個就是芽孢桿菌。這兩株菌大家可以看到,它都是沒有別的可吃的,只有這些薄膜。

它在上面長得非常好,形成了成熟的生物膜,而且這個生物膜是非常緻密的,它的活性很強,可以侵蝕腐蝕掉聚乙烯的表面。

它的怎麼去腐蝕和降解呢?它是把聚乙烯的這種長鏈的C-C的這種單鍵氧化斷裂成為一個親水的碳氧雙鍵的羰基,這就是它降解的一個機制,所以它就變了,它的表面更加的親水。

在這裡我們可以看到培養六十天的話,它可以使得聚乙烯減重6%和11%,聚乙烯的分子量可以降到6%到13%。

這個工作我們很快就總結出來,就投給了在環境科學領域裡最頂尖的期刊叫《環境科學與技術》《Environmental Science & Technology》。這個工作發表完以後就引起了新聞報導的熱浪,他們歡呼聚乙烯可以生物降解了。

那麼其中美國化學會《新聞周刊》ACS News Service Weekly PressPac,採訪了我們並且做了一個同步的報導。他認為我們的工作是開創了一個祛除難降解的固體廢棄物包括直接降解塑料的一個新的途徑和方法。

還有化學與工程新聞也是採訪了我們,同步報導了。他認為我們的工作首次提供了關於聚乙烯細菌降解的最詳實的化學證據。

塑料轉化成肌肉

第二個例子,黃粉蟲覓食跟降解聚苯乙烯。黃粉蟲也是個害蟲,但是它也是個美食。因為它高蛋白高脂肪,而且我們的太空人現在在國際空間站裡面就吃這個,我們將來太空人也會吃這個,非常有意思的事情。當然我們將來上火星、上月球太空人也都吃這個。

那麼聚苯乙烯大家知道,就是我們現在常見的白色塑料。如果我們一次性用過以後,扔下的垃圾白色塑料,它就是罪魁禍首。

我們在這裡面做了一個實驗,我們餵了500條這樣的蟲子,30天之內它可以吃聚苯乙烯,就是吃泡沫塑料,它可以吃到1.8克。我們進行對照實驗,給它吃泡沫塑料,同時也給它吃它最喜歡的麥麩,兩個的存活率是沒有顯著的差異,所以在30天之內吃這個泡沫塑料,它一樣可以長得很好。如果給它泡沫塑料和麥麩的話,它兩個都可以吃並生長,所以泡沫塑料也可以做黃粉蟲的一個很好的食物來源。

它吃完以後,我們就收集這個蟲糞。吃了麥麩的和吃了泡沫塑料的蟲糞,我們用一種化學的方法叫GPC凝膠滲透色譜證明了它的分子量子降低了。

另外從熱重的角度,蟲糞裡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。

它吃進去的這些泡沫塑料是怎麼轉化的呢? 50%都轉化為二氧化碳和蟲子的肌體,我們就說它長肌肉了。

那麼為了更加科學地證實降解的科學性和真實性,我們這裡面採用了在生物化學機理研究當中的一個精標準的方法叫做同位素示蹤的方法。就是用碳-13標記的聚苯乙烯還有麥麩來餵食黃粉蟲。

最後的結果證明,黃粉蟲把聚苯乙烯降解礦化為了二氧化碳,同時它也同化轉化成了這個蟲子的肌體。所以這個就充分證明了黃粉蟲能夠把聚苯乙烯進行降解。

在這裡面附帶說一句,這個碳-13標誌的聚苯乙烯非常貴,比黃金要貴幾十倍。所以我當時做這個實驗以後幾乎叫彈盡糧絕,我的科研經費本上只有4000元錢,但是這個關鍵的實驗還是要做。

證實腸道菌群在起作用

我們再看看在整個過程當中黃粉蟲的腸道菌群起什麼作用呢?我們先做了一個抑菌圈的實驗,確定了慶大黴素對腸道菌群的抑制能力是最強的,然後我們給黃粉蟲餵食慶大黴素。十天以後,腸道裡面的菌群——我們叫微生物也好細菌也好就降到零了。那麼如果它再吃了聚苯乙烯,它降解的效率就很低了。我們再用碳-13標記的聚苯乙烯來做的話,也是同樣的結果。

所以這就充分證明了腸道菌群在整個黃粉蟲降解聚苯乙烯的過程當中發揮了主要的作用。

我們再進一步像第一個例子一樣,同樣的方法去用腸道裡面的微生物分離出來的高效降解聚苯乙烯的這些菌株做同樣的實驗。

你看這些細菌,一個叫微小桿菌,一個叫金黃桿菌,它也能夠在聚苯乙烯的這個薄膜上面非常好地生長。因為它的活力很強,而且它也能夠腐蝕或者侵蝕聚苯乙烯膜的表面,能夠使得聚苯乙烯膜的親水性增強,疏水性降低。

如果我們把它培養60天的話,它可以使得聚苯乙烯的重量減重6.5%到7.5%,而且也能夠使聚苯乙烯的分子量降低。

所以我們根據前面的這個實驗的結果,又繪製了一個聚苯乙烯在黃粉蟲腸道裡面降解過程的一個示意圖。這個也是當時因為我們投《Nature》的時候,它的評閱者要求我們這麼畫的。

塑料已經美味可餐

這個工作是根據自然現象偶然的一個發現,又是針對塑料垃圾這個世界性的難題,而且我們做的工作比較系統,也有突破性的結果,所以我們當時就去投了學術期刊里最好的雜誌《Nature》和《Science》,包括美國科學院的院刊《PNAS》。

好消息是我們所有的投稿很快就被送審了。壞消息是最後都被拒了,其實在《PNAS》我們還修改了兩次。主要的原因是什麼呢?主要是材料學的評閱人還是堅持認為60年以來這個固有的觀念,塑料是不能生物降解的。

所以後來我們因為時間比較緊,再加上數據量很大,所以我們有兩個姊妹篇又投給了《環境科學與技術》《Environmental Science & Technology》。因為我們2014年的工作報導的轟動效應,他們很快也接受發表了。

這個文章發表的第二天,《科學》雜誌在它的故事精選的欄目Sifter裡面報導了我們的工作。《新聞周刊》就是僅次於美國的《時代周刊》,它也是採訪我然後報導了這個事情。它認為我們這個研究能夠對解決塑料垃圾這個大問題產生巨大的影響。

那麼其它的一些報導,比如說CNN包括C&EN,包括《赫芬頓郵報》等等,大概有數百家這樣的媒體都採訪報導了我們的工作。它們評論我們的發現是一個革命性的,是過去十年環境科學領域最大的突破之一。

我們論文的發表為塑料的生物降解研究和論文的發錶帶來了春天。這裡發表了很多的文章,正如《自然》雜誌《材料》子刊,今年6月份它以這樣的題目,叫「Plastics on the Menu」。我翻譯成叫「塑料已經美味可餐」,來歡呼這個春天的到來。

而更有意思的事情就是文章發表以後,美國有二十幾家農場就用泡沫塑料來去養這個黃粉蟲。跟我們直接聯繫的就是要做這個研究的,大概有小學生、中學生、大學生、研究生還有好多教授,大概跟我直接聯繫的有50位以上。而且我們這個研究成果,已經進入了多個國家的科學博物館,還有中小學的教科書和參考書。

從500年到24小時

我總結我們的工作就叫做Make impossible possible——使得不可能成為可能。就是挑戰了塑料不能生物降解這個世界性的難題。昆蟲的腸道高效降解細菌是在24小時之內,自然界的降解大概需要500年。所以我們開創了一個顛覆性的技術,而且我們非常自豪的說這是帶有中國標籤的工作!當然這也是我們師法自然,化害為利,十年一劍的努力的結果。

那麼回溯有關蟲子吃塑料這個方面的文獻,我們可以找到1954年加州大學的一篇文獻,也是印度谷螟來覓食塑料袋,那麼五十年以後2007年仍然還有這樣類似的報導。但是很遺憾因為他們都是昆蟲學家,他們沒有從逆向思維的角度去利用害蟲的這個習性,就錯過了非常好的發明的機會。

所以我認為我們這個發現的過程類似於1928年弗萊明發現青黴素。我們都是偶然發現而且意義非常重大。在我們的文章發表以後,有很多科學家跟我講,這個現象司空見慣,但是我們都熟視無睹。所以有句西方諺語說得好,「機會都是留給有準備的人」。

繼續尋找塑料的阿喀琉斯之踵

那麼怎麼樣做一個有準備的人?我想第一是應該有好奇心。因為好奇心是整個科技工作者的一個創新的源泉,也是他第一的美德。第二個就是要有多學科的知識儲備。我是化學出身,但博士是做的環境生物技術,當時在北航的材料學院,所以這樣才有這樣的一個機會在空窗期來的時候能夠激發靈感,當然還有能力去跨界進行思維。第三點就是作為一個環境人的一個專業的情懷,還有就是我們要甘於坐冷板凳的這種堅持。

當然我們現在的研究仍然是萬里長征第一步,我們還要不忘初心,繼續努力去找到這個塑料的阿喀琉斯之踵。什麼意思呢?那就是找到塑料降解的、生物降解的最薄弱的環節。現在中國的微生物組計劃已經列入十三五的規劃,我們希望在這樣的計劃的支持下,圍繞著昆蟲腸道微生物組做好基礎研究,同時要發展顛覆性的技術,並且要實現產業化的應用。

那么正如毛主席1935年長征途中講的,今日長纓在手,何時縛住蒼龍。所以我相信,在我們科學家跟企業家的共同努力之下,我們一定能夠縛住危害全球環境的塑料垃圾的這條長龍。

本文僅代表作者個人觀點,不代表本公眾號立場。本公眾號轉載此文僅出於傳播更多資訊之目的。如有侵權請及時聯繫我們刪除。


延伸閱讀

為什麼有的人比你年長卻更有活力?

Embark有方博雅|電子工程類|可調諧等離子吸

珍貴的古生物牙齒化石真實圖片欣賞 價值解析

生物遺傳和變異知識點總結,建議收藏!

讓衰老細胞逆轉生長,難道我們真的可以「青春永駐」


熱門內容

友善連結



APP