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化學與環境學院楊軍研究組在《Environ. Sci. & Tech.》發文揭示蠟蟲腸道微生物降解聚乙烯證據

發布日期：2014-12-10 點擊：

2014年12月3日，beat365英国官网网站化學與環境學院楊軍研究組和美國斯坦福大學吳唯民高級研究員、深圳華大基因公司趙姣博士在環境科學與技術領域頂尖期刊《Environmental Science and Technology》（ES&T）上發表了題為“Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms（從齧噬塑料的蠟蟲腸道中分離的細菌生物降解聚乙烯的驗證研究）”的研究論文，首次以全面證據揭示了蠟蟲腸道内存在有效降解聚乙烯塑料的細菌。（http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es504038a）

聚乙烯是以石油為原料的乙烯單體聚合而成的聚合物。1939年在美國開始工業性生産。目前，全球的聚乙烯塑料産量達1.4億噸，廣泛應用于工業、農業和日常生活制品。盡管聚乙烯塑料可以回收再利用，但仍有超過40%的塑料制品的使用壽命低于一個月，大量的廢棄聚乙烯塑料進入環境，造成污染。聚乙烯的分子量高達數萬至數十萬，并且分子結構穩定。過去有人作過研究，估計聚乙烯會在自然環境中穩定存在長達300年以上而不被微生物分解。事實上，廢棄塑料導緻的白色污染和海洋塑料浮渣是個近五十年來長期困擾科學和工程界的世界環境難題。

上世紀七十年代開始，研究人員就開始研究塑料廢棄物在自然環境中的降解性，從土壤、污泥、堆肥、海洋和垃圾填埋場等環境中尋找可能降解聚乙烯的微生物。結果表明，聚乙烯隻有在紫外照射、高溫加熱和高濃度強酸進行預處理後，才可能被微生物進一步降解。目前研究者仍在緻力于分離尋找能直接降解聚乙烯的微生物。

10餘年前，楊軍博士在自己廚房裡觀察到裝有小米、面粉等糧食的聚乙烯塑料袋儲存一段時間後，會出現大量小孔和存在米蟲蛾子。從這一自然現象出發，他和他的研究組開展了10多年的有關昆蟲降解塑料的持續研究。這篇發表在ES&T上的論文是其中的重要成果之一。

該文章報道了他們成功從齧噬聚乙烯塑料袋的蠟蟲腸道中分離出兩株可以利用聚乙烯作為唯一碳源進行生長的細菌，即芽孢杆菌YP1（Bacillus spp. YP1）和阿氏腸杆菌YT1（Enterobacter asburiae YT1）。以上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。

他們通過多種試驗和儀器分析充分證實，不經預處理的聚乙烯可以被以上腸道微生物作為唯一有機碳源分解利用。依照美國測試與材料學會（ASTM）方法，将這兩株細菌聚塗抹在無碳瓊脂固體培養基上的聚乙烯膜表面進行培養。28天後，這兩株細菌在聚乙烯膜表面生成穩定的生物膜，在聚乙烯膜表面造成明顯的結構侵蝕。儀器分析證實生成了标志碳氫鍵被氧化的羰基基團，聚乙烯膜表面的親水性增加。60天液體培養試驗表明，聚乙烯膜的減重可達10%，殘留物的分子量明顯降低，在液體培養基中檢測出大量水溶性的低分子中間産物。以上結果相互驗證了聚乙烯膜的确被上述微生物降解了。

該研究提供了有力的科學證據，證實微生物能直接有效地降解聚乙烯，同時也揭示了具有取食塑料行為的昆蟲的腸道可能是發現降解塑料的微生物的重要來源。這為開發生物降解高分子材料和廢棄物的技術提供了一條全新的思路。

作者中的楊宇是江雷教授和楊軍副教授合作指導的博士生，吳唯民博士指導和參加了研究工作，趙姣博士參加了微生物分子生物學分析工作。

該研究得到了國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃（973）以及深圳市生物能源重點實驗室的資助。

文章在ES&T發表的當日，美國化學會（ACS）新聞周刊PressPac從ACS 主辦的40多種學術期刊本周發表的文章中選擇此項成果作了頭條報道，美國化學與工程新聞（C&EN）進行了采訪報道。其後，科學美國人（Scientific American）、美國環境工程師與科學家協會（AAEES）、英國化學工程師協會 (IChemE) 、美國科學日報（ScienceDaily）和歐洲塑料加工雜志（EPPM）等網站均作了報道。