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這些“秘密”生物都能降解聚乙烯，你知道嗎？

2017-08-02 11:19:11 作者：本網(wǎng)整理來源：DT高分子在線分享至：

導讀

過去許多專家學者研究如何解決聚乙烯自然降解問題，現(xiàn)在對聚乙烯的自然難降解的研究已經(jīng)取得了不錯的進展，讓我們看看，在當今發(fā)現(xiàn)了哪些神奇的生物能夠幫助我們解決聚乙烯降解問題。

重磅發(fā)現(xiàn)：蛾幼蟲可以降解聚乙烯塑料

聚乙烯是重要的通用塑料之一，占塑料產(chǎn)品的40%左右，主要用于包裝材料，其重要性不言而喻。近50多年來，以聚乙烯為代表的塑料產(chǎn)品產(chǎn)量以指數(shù)級形式增長，它們的不可降解性也造成了極其嚴重的環(huán)境問題。因此，發(fā)展高效的生物降解方法對于高分子行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展有著重要的意義。

聚乙烯全碳鏈的化學成分是其難以降解的真正原因，用普通的化學降解方法難以奏效。因此，使用生物降解的方法是一種可行的途徑的。最近，來自英國劍橋大學生物化學系的科學家發(fā)現(xiàn)某種蠟蛾幼蟲（Galleria mellonella）可以以較快的速度降解聚乙烯塑料薄膜，并產(chǎn)生乙二醇降解產(chǎn)物，相關研究成果發(fā)表在Cell旗下期刊《Current Biology》（影響因子8.9）。

當使用該種蛾幼蟲與聚乙烯塑料袋相接處后，約40分鐘后即可產(chǎn)生肉眼可見的漏洞。經(jīng)定量測試，使用100條幼蟲與商業(yè)化聚乙烯塑料袋接觸12小時后會會消耗約92mg聚乙烯。

▲ PE塑料袋與100條Galleria mellonella幼蟲接觸后的外觀

為了排除在上述現(xiàn)象中昆蟲噬咬本身會破壞塑料袋，研究者將幼蟲蟲體勻漿液涂在塑料袋表面，發(fā)現(xiàn)接觸14小時可消耗13%的聚乙烯，平均降解速度可達到0.23mg cm-2h-1。該速度明顯高于先前已經(jīng)報道的對于多種塑料產(chǎn)品的生物降解速率。

研究者使用FTIR對其降解產(chǎn)物進行了表征。在與對照組聚乙烯樣品相比，經(jīng)過Galleria mellonella幼蟲勻漿液處理的聚乙烯樣品增加了3350 cm-1處的信號峰，該峰可與乙二醇的特征峰對應。

▲ 經(jīng)幼蟲勻漿液處理的PE膜以及對照組PE膜紅外譜圖

此外，對經(jīng)過處理的PE膜表面同樣進行了AFM表征。經(jīng)過幼蟲降解后的PE膜表面明顯更加粗糙，從側(cè)面可輔證樣品膜表面的降解。

▲ 經(jīng)幼蟲勻漿液處理的PE膜以及對照組PE膜AFM圖

該類昆蟲可以降解PE膜與其種屬有關。事實上，這種昆蟲幼蟲在自然界中以蜂蠟為食，成年蛾蟲將卵即產(chǎn)在蜂巢中，在蛹蟲階段之前，它們的食物就是蜂蠟，而蜂蠟中則包含大量的烷烴、烯烴以及酯類物質(zhì)，蜂蠟化學成分與PE有一定的相似性。

比較遺憾的是，該項研究沒有證明到底是與Galleria mellonella幼蟲相關的微生物還是酶造成了聚乙烯的降解，這也成為了下一步研究的重點。

斯坦福發(fā)現(xiàn)以塑料為食的蠕蟲

想想泡沫塑料杯，美國人每年要扔掉25億只。然而，這批垃圾只不過是美國人每年丟棄的3300萬噸塑料中的一小部分，這個總數(shù)中不到10％得到回收利用，而剩下的則引發(fā)從水污染到動物中毒的各種挑戰(zhàn)。

下面請出神奇的面包蟲。這種小蠕蟲是擬步甲的幼蟲形態(tài)，根據(jù)斯坦福大學土木與環(huán)境工程系高級研究工程師昊Wei一Min臺作的兩項研究，它們能以聚苯乙烯泡沫塑料或其他形式的聚苯乙烯為食，蠕蟲腸道中的微生物在此過程中生物降解塑料一一這是一個令人大吃一斤和充滿希望的發(fā)現(xiàn)。

“我們的發(fā)現(xiàn)為解決全球塑料污染問題打開了一扇新大門，‘’吳說。

發(fā)表在《環(huán)境科學和技術》上的該論文首次提供了細菌在動物腸道中降解塑料的詳細證據(jù)。了解面包蟲中的細菌如何進行這一月士舉可能帶來安全處理塑料廢棄物的新選擇。

”真正重要的研究總有可能來自奇異的地方，“斯坦福大學主管吳等人塑料研究的土木與環(huán)境工程教授CraigCriddle說，”科學有時候使我們吃驚，而這次是一個震驚。“

大嚼聚苯乙烯泡沫塑料的面包蟲是塑料污染有解的有希望跡象

塑料大餐

在實驗室中，100條面包蟲每天吃掉34~39毫克聚苯乙烯泡注塑料——大約是一片小藥丸的重量。這些蠕蟲像處理任何食物來源一樣，將約一半的塑料轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸肌?/span>

在24小時內(nèi)，他們把大部分剩余塑料以看上去像是微型兔子屎的可生物降解碎片排出。吳說那些固定以塑料為食的面包蟲和吃正常飲食的一樣健康，而且它們的排泄物看來可以安全地作為種植土使用。

包括吳的研究者們在早先的研究中已經(jīng)顯示印度谷螟的幼蟲蠟蟲在它們的腸道中有能降解聚乙烯的微生物，這種塑料用于薄膜制品如垃圾袋。然而，關于面包蟲的新研究很重要，因為聚苯乙烯泡沫塑料被認為是不可生物降解的并且對于環(huán)境問題更大。

由斯坦福大學伍茲環(huán)境研究所高級研究員Criddle領導的研究者們正與項目負責人和論文第一作者北骯的楊Jun及其他中國研究者們合作進行持續(xù)研究。他們計劃一起研究面包蟲和其他昆蟲體內(nèi)的微生物是否能生物降解聚丙烯（用于從紡織品到汽車零部件的產(chǎn)品），微珠（用于去角質(zhì)的小顆粒）和生物塑料（來自玉米或甲烷沼氣等可再生生物質(zhì)來源）。

作為”從搖籃到搖籃“生命周期方法的一部分，研究者們將探索這些材料被小動物食用，然后再依次被其它動物食用后的命運。

尋找海洋生物食客

該領域的另一研究可能涉及尋找面包蟲的海洋生物等價物來消化塑料，Criddle說。塑料廢棄物在海洋中尤其是個問題，它破壞棲息地，殺死無數(shù)海鳥、魚、海龜和其他海洋生物。

然而，要了解塑料降解的有利條件和用于分解聚臺物的酶還需要更多研究。這反過來，又可能幫助科學家設計更強大的酶來降解塑料，并指導制造商設計不會積累在環(huán)境或食品鏈中的聚臺物。

Criddle的塑料研究最初的靈感來自2004年一個評價可生物降解建筑材料可行性的項目，該調(diào)查是由斯坦福大學伍茲環(huán)境研究所的環(huán)保項目種子資助計劃資助的，它導致推出了一家研發(fā)有經(jīng)濟竟爭力的無毒塑料的公司。

Science：日本發(fā)現(xiàn)能吃塑料的細菌

全世界每年消費超過3億噸塑料，這其中包括5000萬噸的對苯二甲酸乙二醇酯（PET），PET主要用于塑料瓶，各式各樣的塑料包裝。但是PET幾乎不可生物降解，人們發(fā)現(xiàn)塑料廢棄物在自然界中進過幾十年，并沒有發(fā)生降解，而是變成塑料微粒，被魚類，鳥類等生物誤食，一部分甚至進入人類的食物鏈。

日本京都工藝纖維大學研究人員Shosuke Yoshida研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一類只用2種酶就能分解塑膠的細菌。聚對苯二甲酸乙二酯--或PET是用于制造塑膠的一種多聚物，它有很強的抵抗生物降解的能力。全世界僅在2013年就生產(chǎn)了約5600萬噸的PET，而在全球各地， PET在生態(tài)系統(tǒng)中的積累問題正變得日益嚴重。到目前為止，能分解PET的真菌種類十分稀少。

Fig. 1微生物在PET上生長

Yoshida等人為此收集了250個PET碎片樣本，并對其進行篩檢，尋找以PET膜作為主要碳來源從而得以生長的候選細菌。他們發(fā)現(xiàn)了一種新型細菌并將其命名為Ideonella sakaiensis 201-F6，在30度的溫度時，這種細菌幾乎能在6周后完全降解PET薄膜。進一步的研究發(fā)現(xiàn)了一種叫做ISF6_4831的酶，它能與水一起令PET降解成一種中間產(chǎn)物，后者接著會被第二種叫做ISF6_0224的酶進一步降解。僅這兩種酶就能將PET分解成其更簡單的分子結(jié)構。

值得注意的是，這些酶與其它細菌的已知酶相比具有獨特的功能性，從而產(chǎn)生一個疑問——這些吃塑料垃圾的細菌是如何進化的。慶應義塾大學生物科學和信息學系Shosuke Yoshida說：”PET是全球廣泛采用的塑料制品，PET在環(huán)境中形成的垃圾已成為一個全球問題。“目前，這項最新研究報告發(fā)表在《科學》雜志上。

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責任編輯：殷鵬飛

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