生物降解-省賽獲獎教學(xué)設(shè)計

生物降解“塑料在黃粉蟲腸道快速生物降解，揭示了丟棄在環(huán)境中塑料廢物的新命運?！北本┖娇蘸教齑髮W(xué)楊軍教授說。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，普遍認為微生物無法降解聚苯乙烯類塑料。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（面包蟲）的幼蟲可降解聚苯乙烯這類最難降解的塑料。該研究顯示，以聚苯乙烯泡沫塑料作為唯一食源，黃粉蟲幼蟲可存活1個月以上，最后發(fā)育成成蟲，其所嚙食的聚苯乙烯被完全降解礦化為CO2或同化為蟲體脂肪。這種發(fā)現(xiàn)為解決全球性的塑料污染問題提供了思路。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使用后即被丟棄。迄今為止學(xué)術(shù)界認為，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)百年不會被分解。楊軍教授介紹，2022年全球消費億噸塑料，其中聚苯乙烯類塑料占7%，每年消耗約2100萬噸，常見的塑料飯盒、咖啡杯等可承受開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個月僅降解%-3%的范圍。每年全世界有4000萬噸的廢棄塑料在環(huán)境中積累,中國每年約有200萬噸廢棄塑料丟在環(huán)境里。以農(nóng)田用農(nóng)膜為例，我國農(nóng)膜年產(chǎn)量達百萬噸,且以每年10%的速度遞增,無論覆蓋何種作物,所有覆膜土壤都有殘膜。據(jù)統(tǒng)計,我國農(nóng)膜年殘留量高達35萬噸,殘膜率達42%，大量殘膜遺留在農(nóng)田0-30厘米的耕作層。也就是說,有近一半的農(nóng)膜殘留在土壤中,食品安全方面是一個極大隱患。“塑料在土壤中完全被微生物同化,降解成CO2和水實現(xiàn)無機礦化,可能需要200-400年時間,從而造成在環(huán)境中的積累。”楊軍教授告訴羊城晚報記者。蟲子幫忙2022年起，楊軍團隊開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脊椎動物實驗，如蚯蚓、千足蟲、蛞蝓、蝸牛等看看其能否吃掉塑料。在飼喂14C標記的塑料如聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），結(jié)果顯示無法降解。楊軍認為，生物降解塑料的思路要開拓，不能只局限于微生物,可以考慮鱗翅目昆蟲、白蟻等,海洋中的蛀船蟲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)生活性基團的關(guān)鍵酶及其基因。楊軍團隊的2022年研究發(fā)現(xiàn)，蠟蟲（印度谷螟幼蟲）能夠咀嚼和進食聚乙烯PE薄膜，幼蟲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。隨后研究團隊發(fā)現(xiàn)，黃粉蟲幼蟲是一種吃掉塑料更為厲害的動物，其尺寸比蠟蟲更大（通常長35毫米，寬度3毫米），其可以將泡沫塑料作為唯一食品。黃粉蟲有4個生活階段：卵、幼蟲、蛹和成蟲。黃粉蟲又叫面包蟲，在昆蟲分類學(xué)上隸屬于鞘翅目，擬步行蟲科，粉甲蟲屬（擬步行蟲屬）。原產(chǎn)北美洲，50年代從前蘇聯(lián)引進中國飼養(yǎng)，黃粉蟲被譽為“蛋白質(zhì)飼料庫”。其干品含脂肪30%，含蛋白質(zhì)高達50%以上，此外還含有磷、鉀、鐵等多種元素。干燥的黃粉蟲幼蟲含蛋白質(zhì)40%左右、蛹含57%、成蟲含60%。在中國國內(nèi)，黃粉蟲實際上類似蠶，人類可以直接食用，炒著吃，也可以用來做飼料，黃粉蟲作飼料喂養(yǎng)的蝎子、蜈蚣、蛤蚧、蛇、熱帶魚和金魚，不僅生長快、成活率高，而且抗病力強，繁殖力也大大提高。養(yǎng)殖黃粉蟲十分容易，養(yǎng)殖戶可用新鮮燕麥、小麥糠、蘋果養(yǎng)殖。蟲子吃掉塑料楊軍教授的團隊從中石化燕山分公司購買了聚苯乙烯塑料原料，這些原料中沒有添加劑和催化劑。而α-13C、β-13C標記的聚苯乙烯塑料樣品則從美國購買。黃粉蟲從北京大興、河北秦皇島等昆蟲養(yǎng)殖場購買，用谷物飼養(yǎng)，這些蟲子位于3-4蟲齡（即褪了3-4次皮）。這些黃粉蟲被放置在一個有泡沫塑料塊的聚丙烯塑料容器里。實驗人員定期測量被黃粉蟲吃掉的泡沫塑料塊重量，對照組是常規(guī)麥麩飼養(yǎng)的黃粉蟲，實驗中500個黃粉蟲以克的泡沫為唯一食物，在控制條件的溫室中單獨飼養(yǎng)（25±1°C，80±2%濕度，和16:8光/暗周期）。在孵化過程中，死亡的黃粉蟲立即去除。楊軍等人在實驗中，以泡沫塑料為單一食源喂養(yǎng)黃粉蟲幼蟲。對比正常飼養(yǎng)(喂食麩皮)和停食的幼蟲，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在16天實驗期內(nèi)，幼蟲干重盡管并未如正常飼養(yǎng)的幼蟲顯著增加(+%)，僅小量增加了%（這是由于相比麩皮，泡沫塑料的水含量和營養(yǎng)價值較低），但也未像停食的幼蟲干重明顯降低%)，并且對比喂食塑料和麩皮兩組的幼蟲存活率，并無明顯差異。100只黃粉蟲每天可以吃掉34-39毫克的泡沫塑料。在16天的試驗期，蟲子攝入泡沫塑料中%轉(zhuǎn)化為CO2。而殘留（約%）被轉(zhuǎn)化為類似兔糞便的生物降解顆粒被排泄出體外。試驗用α-13C或β-13C標記的聚苯乙烯塑料證實其被礦化為碳13標記二氧化碳和脂類。幼蟲腸道內(nèi)聚苯乙烯泡沫停留時間不超過24小時就降解。用聚苯乙烯泡沫塑料作為唯一食物的幼蟲，與那些喂以正常食物（麥麩）的蟲子過了1個月后，健康情況一樣，最后發(fā)育成甲殼成蟲。黃粉蟲在泡沫上吃出了一個一個洞。通過蟲子的腸道后，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，證實了幼蟲腸道中聚苯乙烯長鏈分子斷裂形成蟲子代謝產(chǎn)物隨著糞便排出。實驗還進一步在幼蟲腸道中成功分離出可以利用聚苯乙烯為唯一碳源進行生長的聚苯乙烯降解細菌——微小桿菌YT2（）。該菌株已保存在中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心和國家基因庫，是國際上報道的第一株保存在菌種中心的聚苯乙烯降解細菌。能吃所有塑料研究團隊給出了黃粉幼蟲嚙食降解聚苯乙烯機理：第一步，泡沫塑料首先被黃粉幼蟲嚼噬成細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