自家校化学与意况大学杨军研商组在《Environ. Sci. & Tech.》发布文书洞穿蜡虫肠道微型生物分解聚乙基证据

12月11日电
2014年12月3日,我校化学与环境学院杨军研究组和美国斯坦福大学吴唯民高级研究员、深圳华大基因公司赵姣博士在环境科学与技术领域顶尖期刊《Environmental
Science and Technology》上发表了题为“Evidence of polyethylene
biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating
waxworms”的研究论文,首次以全面证据揭示了蜡虫肠道内存在有效降解聚乙烯塑料的细菌。

科学家揭示黄粉虫降解聚苯乙烯塑料证据

威尼斯官方网站 1

科学网讯
日前,北京航空航天大学杨军研究组和美国斯坦福大学吴唯民高级研究员、深圳华大基因公司赵姣博士等,在继2014年12月发表蜡虫肠道微生物降解聚乙烯的论文后,再次在国际环境科学与技术领域权威期刊《Environmental
Science and Technology》上发表了题为Biodegradation and mineralization of
polystyrene by plastic-eating mealworms. Part 1. Chemical and physical
characterization andisotopic tests和Biodegradation and mineralization of
polystyrene by plastic-eating mealworms.Part 2. Role of gut
microorganisms两篇姊妹研究论文,首次以全面证据揭示了黄粉虫啮食降解聚苯乙烯、将其完全降解矿化为二氧化碳、并利用同化为虫体脂肪,同时证明是其肠道微生物起主导作用,并且分离鉴定了一株降解聚苯乙烯的细菌。此研究成果为解决废弃塑料污染环境的问题提供了崭新的思维。

威尼斯官方网站,聚乙烯是以石油为原料的乙烯单体聚合而成的聚合物。1939年在美国开始工业性生产。目前,全球的聚乙烯塑料产量达1.4亿吨,广泛应用于工业、农业和日常生活制品。尽管聚乙烯塑料可以回收再利用,但仍有超过40%的塑料制品的使用寿命低于一个月,大量的废弃聚乙烯塑料进入环境,造成污染。聚乙烯的分子量高达数万至数十万,并且分子结构稳定。过去有人作过研究,估计聚乙烯会在自然环境中稳定存在长达300年以上而不被微生物分解。事实上,废弃塑料导致的白色污染和海洋塑料浮渣是个近五十年来长期困扰科学和工程界的世界环境难题。  上世纪七十年代开始,研究人员就开始研究塑料废弃物在自然环境中的降解性,从土壤、污泥、堆肥、海洋和垃圾填埋场等环境中寻找可能降解聚乙烯的微生物。结果表明,聚乙烯只有在紫外照射、高温加热和高浓度强酸进行预处理后,才可能被微生物进一步降解。目前研究者仍在致力于分离寻找能直接降解聚乙烯的微生物。  10余年前,杨军博士在自己厨房里观察到装有小米、面粉等粮食的聚乙烯塑料袋储存一段时间后,会出现大量小孔和存在米虫蛾子。从这一自然现象出发,他和他的研究组开展了10多年的有关昆虫降解塑料的持续研究。这篇发表在ES&T上的论文是其中的重要成果之一。  该文章报道了他们成功从啮噬聚乙烯塑料袋的蜡虫肠道中分离出两株可以利用聚乙烯作为唯一碳源进行生长的细菌,即芽孢杆菌YP1和阿氏肠杆菌YT1。以上菌株已保存在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心和国家基因库。  他们通过多种试验和仪器分析充分证实,不经预处理的聚乙烯可以被以上肠道微生物作为唯一有机碳源分解利用。依照美国测试与材料学会方法,将这两株细菌聚涂抹在无碳琼脂固体培养基上的聚乙烯膜表面进行培养。28天后,这两株细菌在聚乙烯膜表面生成稳定的生物膜,在聚乙烯膜表面造成明显的结构侵蚀。仪器分析证实生成了标志碳氢键被氧化的羰基基团,聚乙烯膜表面的亲水性增加。60天液体培养试验表明,聚乙烯膜的减重可达10%,残留物的分子量明显降低,在液体培养基中检测出大量水溶性的低分子中间产物。以上结果相互验证了聚乙烯膜的确被上述微生物降解了。  该研究提供了有力的科学证据,证实微生物能直接有效地降解聚乙烯,同时也揭示了具有取食塑料行为的昆虫的肠道可能是发现降解塑料的微生物的重要来源。这为开发生物降解高分子材料和废弃物的技术提供了一条全新的思路。  作者中的杨宇是江雷教授和杨军副教授合作指导的博士生,吴唯民博士指导和参加了研究工作,赵姣博士参加了微生物分子生物学分析工作。  该研究得到了国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划以及深圳市生物能源重点实验室的资助。  文章在ES&T发表的当日,美国化学会新闻周刊PressPac从ACS
主办的40多种学术期刊本周发表的文章中选择此项成果作了头条报道,美国化学与工程新闻进行了采访报道。其后,科学美国人、美国环境工程师与科学家协会、英国化学工程师协会
(IChemE)
、美国科学日报、欧洲塑料加工杂志和澳大利亚广播公司等网站均作了报道。

石油化工生产的塑料废物污染是世界环境难题。迄今为止学术界认为,塑料产品由于物理化学结构稳定、在自然环境中可能数十至数百年不会被分解。塑料污染正严重威胁着生态和海洋环境。2013年石油基塑料世界年产量约3亿吨,其中聚苯乙烯占7.1%。聚苯乙烯经久耐用,不能生物降解,常用作一次性饭盒、咖啡杯和包装绝热材料,在土壤、河流湖泊及海洋等环境产生了普遍严重的白色污染。2005年起,北京航空航天大学化学与环境学院杨军博士开始了塑料生物降解的研究。

威尼斯官方网站 2

黄粉虫又名面包虫,拉丁学名Tenebriomolitor。一般长20-25mm,成虫为黑色甲虫,是一种仓库害虫,原产北美洲,现已被人工大量饲养用作动物饲料或者提取化工原料。在北航和斯坦福的实验表明,产自中国和美国的黄粉虫幼虫都啮食塑料,仅仅靠啮食泡沫塑料能存活一个月以上,最后发育成甲壳成虫。聚苯乙烯泡沫塑料在黄粉虫幼虫肠道停留时间短于24小时。进食泡沫塑料16天后,黄粉虫可以将大约48%的聚苯乙烯转化为二氧化碳。碳-13同位素示踪实验证明,聚苯乙烯被黄粉虫完全降解矿化为二氧化碳和利用转化为虫体脂肪。

研究组发现肠道微生物对聚苯乙烯生物降解起决定性的作用。在黄粉虫幼虫食物中加入抗生素抑制肠道微生物后,幼虫不能降解塑料。他们进一步成功分离出可以利用聚苯乙烯作为唯一碳源进行生长的聚苯乙烯降解细菌–微小杆菌YT2。该菌株已保存在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心和国家基因库,是国际上报道的第一株保藏在菌种中心的聚苯乙烯降解细菌。该株细菌可在在无碳琼脂固体培养基上的聚苯乙烯膜表面生长生成稳定的生物膜,显著地侵蚀膜表面结构。该菌株在液体中培养60天后,液体中聚苯乙烯碎屑被分解、减重可达7.4%。残留物的分子量明显降低,生成大量水溶性的低分子中间产物。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

相关文章