禍害地球500年，20世紀(jì)最糟糕的發(fā)明中國科學(xué)家用一條蟲子治好了!

如果家里的小米生蟲子了

而且蟲子把塑料袋咬破了

你會怎么做?

抓緊清理掉?

順便把家里衛(wèi)生收拾一下?

看到同樣的一幕

他卻進(jìn)一步思考

破掉的塑料袋是被蟲子吃進(jìn)去了嗎?

如果吃進(jìn)去了，塑料袋被消化了嗎?

幾個簡單的追問引發(fā)了他和團(tuán)隊13年的潛心研究

最終他發(fā)現(xiàn)蟲子的腸道菌群可以降解塑料

本來需要500年才能自然降解的塑料

在蟲子腸道里走一遭

降解時間縮短到24小時以內(nèi)

他就是北京航空航天大學(xué)的教授楊軍

講述了一個使不可能成為可能的科學(xué)故事

演講者 | 楊軍 北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授

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挑戰(zhàn)不可能:蟲子吃塑料

楊軍

北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授

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“空窗期”的偶然發(fā)現(xiàn)

我是來自北京航空航天大學(xué)的楊軍，跟大家分享過去十三年我發(fā)現(xiàn)蟲子吃塑料的這個故事。

大家來看這是個什么?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(fā)設(shè)計國際合作制造的大飛機C919。它已經(jīng)在今年的5月5號，在上海首飛。前天11月10號，已經(jīng)轉(zhuǎn)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(fā)展規(guī)劃16個重大專項當(dāng)中的重中之重，難中之難。

那么我當(dāng)時是作為北航的負(fù)責(zé)民口科研的科技處的副處長，很榮幸擔(dān)任了整個認(rèn)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(dāng)然作出了自己的貢獻(xiàn)，也獲得了國家的一些表彰。

那么為什么要說大飛機這個事情呢?因為就是在大飛機論證過程當(dāng)中那個春節(jié)，就在緊張的論證環(huán)節(jié)，相當(dāng)于一個空窗期。我在家里做稀飯，我發(fā)現(xiàn)裝小米的那個塑料袋被咬壞了很多的洞，這里面有蛾子飛出來，也有蟲子在里面爬。

因為我是清華環(huán)境工程專業(yè)的博士，做的是環(huán)境生物技術(shù)。當(dāng)時突然就來了一個靈感，我想這個蟲子它咬破了塑料袋，那么它吃進(jìn)去了嗎?如果吃進(jìn)去了，它消化了嗎?如果說這個問題能夠證實的話，那么這將是非常重要的一個發(fā)現(xiàn)。為什么呢?

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塑料袋:20世紀(jì)最糟糕的發(fā)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(fā)明是以1907年塑料之父貝克蘭注冊酚醛合成樹脂的專利為標(biāo)志，塑料的發(fā)明為人類開創(chuàng)了新的生活。

但是不到100年，由于塑料突出的環(huán)境問題，英國的《衛(wèi)報》把塑料袋評選成為20世紀(jì)最糟糕的發(fā)明。在過去的50年里塑料的生產(chǎn)產(chǎn)量全球已經(jīng)增加了20倍，在環(huán)境當(dāng)中留下了70億噸的塑料袋垃圾。2016年的塑料產(chǎn)量是3.2億噸，中國占了1/4。

由于塑料是高分子量，數(shù)萬到數(shù)十萬的分子量，再加上它的物理化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定，包括它疏水的特點，所以按照目前的科學(xué)估計，塑料在自然界當(dāng)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(xué)》雜志就報道每年有800萬噸的塑料被沖到大海里面，就形成了相當(dāng)于法國或者200個上海這么大面積的一個太平洋的塑料垃圾飄移帶。

在中國的食鹽里面已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這樣的塑料微粒，所以對于全球的科學(xué)家來講它是個非常嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

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西天取經(jīng)

基于我們對塑料這個垃圾嚴(yán)重性的認(rèn)識， 2004年我們發(fā)現(xiàn)了蟲子吃塑料這個現(xiàn)象之后，我就帶著研究生秦小燕做了兩年的一個研究，最后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(dāng)時我們非常地興奮，我們師生之間擁抱著慶賀。但是當(dāng)時感覺到研究的深度跟數(shù)據(jù)還是不夠的，要是不發(fā)表這個文章就太可惜了。加上那時候自己的技術(shù)研究的功力還不夠，所以決定西天取經(jīng)，到了牛津去做了一年的訪問學(xué)者。

回國以后在我們新成立的化學(xué)學(xué)院，在江雷院士的堅定的支持下，我聯(lián)合了斯坦福的吳唯民教授、華大基因的微生物平臺的楊瑞馥教授，還有趙嬌博士、博士生楊宇，還有一些研究生，我們經(jīng)過了四年的努力取得了一些突破性的成果。文章發(fā)表以后在世界上產(chǎn)生了比較大的影響。

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蠟蟲是怎么降解塑料的?

那么下面我就跟大家分享其中的兩個已經(jīng)發(fā)表的例子。第一個例子就是蠟蟲，它覓食跟降解聚乙烯。我們怎么做的呢?我們解剖了這個蠟蟲，拿到里面腸道的內(nèi)含物，然后跟塑料聚乙烯進(jìn)行富集培養(yǎng)。培養(yǎng)完以后，我們用培養(yǎng)基把它分離，分離出來以后有純的菌株。這些菌株有些就有比較強的降解的能力，然后再進(jìn)行鑒定。

我們這里選擇其中的兩株菌，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致密的，它的活性很強，可以侵蝕腐蝕掉聚乙烯的表面。

它的怎么去腐蝕和降解呢?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。

在這里我們可以看到培養(yǎng)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(jié)出來，就投給了在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域里最頂尖的期刊叫《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》《Environmental Science & Technology》。這個工作發(fā)表完以后就引起了新聞報道的熱浪，他們歡呼聚乙烯可以生物降解了。

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塑料轉(zhuǎn)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，而且我們的宇航員現(xiàn)在在國際空間站里面就吃這個，我們將來宇航員也會吃這個，非常有意思的事情。當(dāng)然我們將來上火星、上月球宇航員也都吃這個。

那么聚苯乙烯大家知道，就是我們現(xiàn)在常見的白色塑料。如果我們一次性用過以后，扔下的垃圾白色塑料，它就是罪魁禍?zhǔn)住?/p>

我們在這里面做了一個實驗，我們喂了500條這樣的蟲子，30天之內(nèi)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(jìn)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(nèi)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，它兩個都可以吃并生長，所以泡沫塑料也可以做黃粉蟲的一個很好的食物來源。

它吃完以后，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(xué)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，蟲糞里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(jìn)去的這些泡沫塑料是怎么轉(zhuǎn)化的呢? 50%都轉(zhuǎn)化為二氧化碳和蟲子的肌體，我們就說它長肌肉了。

那么為了更加科學(xué)地證實降解的科學(xué)性和真實性，我們這里面采用了在生物化學(xué)機理研究當(dāng)中的一個精標(biāo)準(zhǔn)的方法叫做同位素示蹤的方法。就是用碳-13標(biāo)記的聚苯乙烯還有麥麩來喂食黃粉蟲。

最后的結(jié)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(zhuǎn)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(jìn)行降解。

在這里面附帶說一句，這個碳-13標(biāo)志的聚苯乙烯非常貴，比黃金要貴幾十倍。所以我當(dāng)時做這個實驗以后幾乎叫彈盡糧絕，我的科研經(jīng)費本上只有4000元錢，但是這個關(guān)鍵的實驗還是要做。

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證實腸道菌群在起作用

我們再看看在整個過程當(dāng)中黃粉蟲的腸道菌群起什么作用呢?我們先做了一個抑菌圈的實驗，確定了慶大霉素對腸道菌群的抑制能力是最強的，然后我們給黃粉蟲喂食慶大霉素。十天以后，腸道里面的菌群--我們叫微生物也好細(xì)菌也好就降到零了。那么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(biāo)記的聚苯乙烯來做的話，也是同樣的結(jié)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(dāng)中發(fā)揮了主要的作用。

我們再進(jìn)一步像第一個例子一樣，同樣的方法去用腸道里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(xì)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(yǎng)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。

所以我認(rèn)為我們這個發(fā)現(xiàn)的過程類似于1928年弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素。我們都是偶然發(fā)現(xiàn)而且意義非常重大。在我們的文章發(fā)表以后，有很多科學(xué)家跟我講，這個現(xiàn)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(zhǔn)備的人”。

繼續(xù)尋找塑料的阿喀琉斯之踵

那么怎么樣做一個有準(zhǔn)備的人?我想第一是應(yīng)該有好奇心。因為好奇心是整個科技工作者的一個創(chuàng)新的源泉，也是他第一的美德。第二個就是要有多學(xué)科的知識儲備。我是化學(xué)出身，但博士是做的環(huán)境生物技術(shù)，當(dāng)時在北航的材料學(xué)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(fā)靈感，當(dāng)然還有能力去跨界進(jìn)行思維。第三點就是作為一個環(huán)境人的一個專業(yè)的情懷，還有就是我們要甘于坐冷板凳的這種堅持。

當(dāng)然我們現(xiàn)在的研究仍然是萬里長征第一步，我們還要不忘初心，繼續(xù)努力去找到這個塑料的阿喀琉斯之踵。什么意思呢?那就是找到塑料降解的、生物降解的最薄弱的環(huán)節(jié)。現(xiàn)在中國的微生物組計劃已經(jīng)列入十三五的規(guī)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(chǔ)研究，同時要發(fā)展顛覆性的技術(shù)，并且要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)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(xué)家跟企業(yè)家的共同努力之下，我們一定能夠縛住危害全球環(huán)境的塑料垃圾的這條長龍。