生物降解-省賽獲獎(jiǎng)教學(xué)設(shè)計(jì)

生物降解“塑料在黃粉蟲(chóng)腸道快速生物降解，揭示了丟棄在環(huán)境中塑料廢物的新命運(yùn)。”北京航空航天大學(xué)楊軍教授說(shuō)。塑料在環(huán)境中難以自然降解，而聚苯乙烯又是其中之最，由于高分子量和高穩(wěn)定性，普遍認(rèn)為微生物無(wú)法降解聚苯乙烯類(lèi)塑料。2022年北京航空航天大學(xué)楊軍教授研究組、深圳華大基因公司趙姣博士等在環(huán)境學(xué)科領(lǐng)域的權(quán)威期刊《EnvironmentalScience&Technology》上合作發(fā)表了兩篇姊妹研究論文，證明了黃粉蟲(chóng)（面包蟲(chóng)）的幼蟲(chóng)可降解聚苯乙烯這類(lèi)最難降解的塑料。該研究顯示，以聚苯乙烯泡沫塑料作為唯一食源，黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)可存活1個(gè)月以上，最后發(fā)育成成蟲(chóng)，其所嚙食的聚苯乙烯被完全降解礦化為CO2或同化為蟲(chóng)體脂肪。這種發(fā)現(xiàn)為解決全球性的塑料污染問(wèn)題提供了思路。世界難題石油化工生產(chǎn)的塑料廢物污染是世界環(huán)境難題。大部分塑料一次性消費(fèi)使用后即被丟棄。迄今為止學(xué)術(shù)界認(rèn)為，塑料產(chǎn)品由于物理化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、在自然環(huán)境中可能數(shù)十至數(shù)百年不會(huì)被分解。楊軍教授介紹，2022年全球消費(fèi)億噸塑料，其中聚苯乙烯類(lèi)塑料占7%，每年消耗約2100萬(wàn)噸，常見(jiàn)的塑料飯盒、咖啡杯等可承受開(kāi)水溫度的材料即為聚苯乙烯。權(quán)威的調(diào)查已經(jīng)表明，聚苯乙烯這種塑料在土壤、污泥、腐爛垃圾，或糞肥微生物群落里，4個(gè)月僅降解%-3%的范圍。每年全世界有4000萬(wàn)噸的廢棄塑料在環(huán)境中積累,中國(guó)每年約有200萬(wàn)噸廢棄塑料丟在環(huán)境里。以農(nóng)田用農(nóng)膜為例，我國(guó)農(nóng)膜年產(chǎn)量達(dá)百萬(wàn)噸,且以每年10%的速度遞增,無(wú)論覆蓋何種作物,所有覆膜土壤都有殘膜。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)農(nóng)膜年殘留量高達(dá)35萬(wàn)噸,殘膜率達(dá)42%，大量殘膜遺留在農(nóng)田0-30厘米的耕作層。也就是說(shuō),有近一半的農(nóng)膜殘留在土壤中,食品安全方面是一個(gè)極大隱患。“塑料在土壤中完全被微生物同化,降解成CO2和水實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)礦化,可能需要200-400年時(shí)間,從而造成在環(huán)境中的積累?！睏钴娊淌诟嬖V羊城晚報(bào)記者。蟲(chóng)子幫忙2022年起，楊軍團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究塑料生物降解。主攻最難降解的聚苯乙烯等塑料降解?？茖W(xué)家此前使用幾種土壤無(wú)脊椎動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，如蚯蚓、千足蟲(chóng)、蛞蝓、蝸牛等看看其能否吃掉塑料。在飼喂14C標(biāo)記的塑料如聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），結(jié)果顯示無(wú)法降解。楊軍認(rèn)為，生物降解塑料的思路要開(kāi)拓，不能只局限于微生物,可以考慮鱗翅目昆蟲(chóng)、白蟻等,海洋中的蛀船蟲(chóng)和鉆孔蚌能侵蝕聚乙烯和海底電纜，也可考慮從這些生物中分離并克隆能產(chǎn)生活性基團(tuán)的關(guān)鍵酶及其基因。楊軍團(tuán)隊(duì)的2022年研究發(fā)現(xiàn)，蠟蟲(chóng)（印度谷螟幼蟲(chóng)）能夠咀嚼和進(jìn)食聚乙烯PE薄膜，幼蟲(chóng)腸道分離出能夠降解PE薄膜的兩種菌株，即腸桿菌屬YT1和芽孢桿菌YP1。隨后研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)是一種吃掉塑料更為厲害的動(dòng)物，其尺寸比蠟蟲(chóng)更大（通常長(zhǎng)35毫米，寬度3毫米），其可以將泡沫塑料作為唯一食品。黃粉蟲(chóng)有4個(gè)生活階段：卵、幼蟲(chóng)、蛹和成蟲(chóng)。黃粉蟲(chóng)又叫面包蟲(chóng)，在昆蟲(chóng)分類(lèi)學(xué)上隸屬于鞘翅目，擬步行蟲(chóng)科，粉甲蟲(chóng)屬（擬步行蟲(chóng)屬）。原產(chǎn)北美洲，50年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)中國(guó)飼養(yǎng)，黃粉蟲(chóng)被譽(yù)為“蛋白質(zhì)飼料庫(kù)”。其干品含脂肪30%，含蛋白質(zhì)高達(dá)50%以上，此外還含有磷、鉀、鐵等多種元素。干燥的黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)含蛋白質(zhì)40%左右、蛹含57%、成蟲(chóng)含60%。在中國(guó)國(guó)內(nèi)，黃粉蟲(chóng)實(shí)際上類(lèi)似蠶，人類(lèi)可以直接食用，炒著吃，也可以用來(lái)做飼料，黃粉蟲(chóng)作飼料喂養(yǎng)的蝎子、蜈蚣、蛤蚧、蛇、熱帶魚(yú)和金魚(yú)，不僅生長(zhǎng)快、成活率高，而且抗病力強(qiáng)，繁殖力也大大提高。養(yǎng)殖黃粉蟲(chóng)十分容易，養(yǎng)殖戶(hù)可用新鮮燕麥、小麥糠、蘋(píng)果養(yǎng)殖。蟲(chóng)子吃掉塑料楊軍教授的團(tuán)隊(duì)從中石化燕山分公司購(gòu)買(mǎi)了聚苯乙烯塑料原料，這些原料中沒(méi)有添加劑和催化劑。而α-13C、β-13C標(biāo)記的聚苯乙烯塑料樣品則從美國(guó)購(gòu)買(mǎi)。黃粉蟲(chóng)從北京大興、河北秦皇島等昆蟲(chóng)養(yǎng)殖場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)，用谷物飼養(yǎng)，這些蟲(chóng)子位于3-4蟲(chóng)齡（即褪了3-4次皮）。這些黃粉蟲(chóng)被放置在一個(gè)有泡沫塑料塊的聚丙烯塑料容器里。實(shí)驗(yàn)人員定期測(cè)量被黃粉蟲(chóng)吃掉的泡沫塑料塊重量，對(duì)照組是常規(guī)麥麩飼養(yǎng)的黃粉蟲(chóng)，實(shí)驗(yàn)中500個(gè)黃粉蟲(chóng)以克的泡沫為唯一食物，在控制條件的溫室中單獨(dú)飼養(yǎng)（25±1°C，80±2%濕度，和16:8光/暗周期）。在孵化過(guò)程中，死亡的黃粉蟲(chóng)立即去除。楊軍等人在實(shí)驗(yàn)中，以泡沫塑料為單一食源喂養(yǎng)黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)。對(duì)比正常飼養(yǎng)(喂食麩皮)和停食的幼蟲(chóng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在16天實(shí)驗(yàn)期內(nèi)，幼蟲(chóng)干重盡管并未如正常飼養(yǎng)的幼蟲(chóng)顯著增加(+%)，僅小量增加了%（這是由于相比麩皮，泡沫塑料的水含量和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較低），但也未像停食的幼蟲(chóng)干重明顯降低%)，并且對(duì)比喂食塑料和麩皮兩組的幼蟲(chóng)存活率，并無(wú)明顯差異。100只黃粉蟲(chóng)每天可以吃掉34-39毫克的泡沫塑料。在16天的試驗(yàn)期，蟲(chóng)子攝入泡沫塑料中%轉(zhuǎn)化為CO2。而殘留（約%）被轉(zhuǎn)化為類(lèi)似兔糞便的生物降解顆粒被排泄出體外。試驗(yàn)用α-13C或β-13C標(biāo)記的聚苯乙烯塑料證實(shí)其被礦化為碳13標(biāo)記二氧化碳和脂類(lèi)。幼蟲(chóng)腸道內(nèi)聚苯乙烯泡沫停留時(shí)間不超過(guò)24小時(shí)就降解。用聚苯乙烯泡沫塑料作為唯一食物的幼蟲(chóng)，與那些喂以正常食物（麥麩）的蟲(chóng)子過(guò)了1個(gè)月后，健康情況一樣，最后發(fā)育成甲殼成蟲(chóng)。黃粉蟲(chóng)在泡沫上吃出了一個(gè)一個(gè)洞。通過(guò)蟲(chóng)子的腸道后，攝入的泡沫塑料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生變化。通過(guò)采用凝膠滲透色譜（GPC）、碳13的核磁共振光譜，熱重傅里葉變換紅外光譜，證實(shí)了幼蟲(chóng)腸道中聚苯乙烯長(zhǎng)鏈分子斷裂形成蟲(chóng)子代謝產(chǎn)物隨著糞便排出。實(shí)驗(yàn)還進(jìn)一步在幼蟲(chóng)腸道中成功分離出可以利用聚苯乙烯為唯一碳源進(jìn)行生長(zhǎng)的聚苯乙烯降解細(xì)菌——微小桿菌YT2（）。該菌株已保存在中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心和國(guó)家基因庫(kù)，是國(guó)際上報(bào)道的第一株保存在菌種中心的聚苯乙烯降解細(xì)菌。能吃所有塑料研究團(tuán)隊(duì)給出了黃粉幼蟲(chóng)嚙食降解聚苯乙烯機(jī)理：第一步，泡沫塑料首先被黃粉幼蟲(chóng)嚼噬成細(xì)小碎片并攝入腸道中；第二步，嚼噬作用增加了聚苯乙烯泡沫與微生物和胞外酶的接觸面積，所攝食的碎片在腸道微生物所分泌