靠细菌和虫子能吃掉白色污染吗?

2019-08-21 13:58:46来源: 中国食品报网

  来自中美两国的研究人员发现,黄粉虫这种昆虫的幼虫(俗称面包虫),能够吞食和降解塑料。消息传出后,真可谓一石激起千层浪。有些人认为,长期困扰人类社会的白色污染问题终于有了解决之道;有些人则不以为然,认为黄粉虫能以塑料为食早就不是秘密,此项研究毫无新意。这一研究引发的争议,实际上体现出的是,公众对近年来方兴未艾的生物可降解塑料这一研究领域的关注和期待。

  在塑料诞生前,人类一直在利用天然的高分子化合物,为什么在过去并没有出现白色污染呢?一个重要的原因在于,在与这些天然高分子化合物共存的漫长岁月里,各种微生物已经进化出一系列的酶,能够将这些庞大的分子转变成可以为生物再次利用的养料。然而,合成高分子材料诞生至今不过100多年的历史,微生物对它们并不熟悉,面对这些全新的化学结构时往往会“无计可施”。这样一来,人工合成的高分子材料难免会在环境中长久地累积下来。

  有人不禁要问,把天然高分子材料再请回来,白色污染问题不就迎刃而解了吗?事实真的会如此简单吗?让我们一起来看一看吧。

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  心有余而力不足的天然高分子材料

  纤维素

  在天然高分子化合物中,含量最为丰富的要数纤维素了。纤维素广泛存在于植物特别是树木中,是由数百至上千个葡萄糖分子相互连接而形成的线性高分子。要问纤维素的机械强度如何,那些参天大树是再好不过的证明。按理说,如此强劲的高分子化合物足以秒杀一切合成的塑料了,但偏偏正是这一点成了纤维素的“软肋”。塑料之所以应用广泛,很重要的一点在于这个“塑”字,即可以通过熔融流动来被加工成任意形状。即便是高温下不能熔化的热固性塑料,也可以通过溶液等其他液体形式来实现成型加工。然而,纤维素由于分子间的相互作用极强,在高温下宁可降解也不肯流动,同时它也很难溶于大部分溶剂,这就使得纤维素的应用受到很大的限制。

  长久以来,人们从未放弃过更好地利用纤维素的努力,其中造纸术的发明或许可以看作第一步。在造纸过程中,木材等富含纤维素的原料通过机械或者化学过程被分解成纤维素的短纤维。这些短纤维干燥成型后就得到了纸。纸的出现,无疑是纤维素利用的充分体现。这些纸制品也经常替代塑料用于包装、餐具等领域。但纸毕竟不是塑料,许多性能也无法媲美塑料,例如,纸遇水后强度就下降许多,而且无法像塑料那样做到完全透明。事实上,许多纸质包装材料往往还需要塑料的配合才能达到比较理想的效果。例如,许多用来装牛奶的纸盒就必须在内部涂上一层塑料才能保证良好的防水效果。另外,纸虽然以可再生的植物为原料,废弃后也可以被微生物降解,但其生产过程中要产生大量的污水,对环境的负面影响也不容忽视。因此,用纸制品来进一步代替塑料制品,恐怕未必是很好的选择。

  到了近代,人们在不断地摸索中发现了更好地改造纤维素的方法。纤维素之所以难以熔化或者溶于溶剂,是因为分子间存在着强烈的氢键,而氢键的存在又是源于纤维素分子中大量的羟基结构。如果通过化学反应让羟基转化为别的结构,就有可能破坏纤维素分子之间的氢键,让纤维素变得能够溶解,这也正是这些新方法的切入点。另一种改造纤维素的方法,是用碱溶液和二硫化碳处理纤维素。经过复杂的过程,纤维素的化学结构没有改变,物理结构却发生了变化,加工起来变得更加容易,这就是所谓的“再生纤维素”。

  然而,再生纤维素的生产过程中,要用到二硫化碳这种毒性很高且易燃的物质,对工人的健康和安全是一个严重的威胁。不过近年来,许多科学家们尝试用更加安全环保的化学试剂来取代二硫化碳,并取得了一定的进展。

  淀粉

  与纤维素一样,淀粉也是由葡萄糖连接而成的高分子化合物,但二者不仅葡萄糖分子之间的连接方式有所不同,而且纤维素分子完全是直链结构,而淀粉分子则有一部分是分支结构,这使得淀粉分子之间的相互作用更容易被破坏。如果把淀粉与少量的水混合并加热,淀粉就可以像热塑性塑料那样熔化流动,从而被加工成不同的形状,这样得到的淀粉被称为热塑性淀粉。热塑性淀粉同样可以被微生物降解,而且加工又比纤维素容易得多,加之淀粉的来源也很广泛,因此热塑性淀粉近年来颇受重视。然而,相对较弱的分子间作用力既使得淀粉比纤维素容易加工,也导致热塑性淀粉的强度要比纤维素逊色许多,因此通常要和其他高分子材料混合才能达到令人满意的效果。这就严重制约了热塑性淀粉的推广应用。

  当然,除了纤维素和淀粉,还有许多其他的天然高分子化合物也有可能成为塑料的替代品。但这些天然高分子化合物大多也面临着这样或那样的问题。例如,有一种名为普鲁兰多糖的天然高分子化合物,结构与纤维素类似,机械性能也不差,但它可以直接溶于水,因此加工起来要方便得多,但这种材料目前只能通过微生物发酵来获取。

  天然的高分子材料不够给力,科学家们只好求助于人工合成。由此,一大批新的生物可降解塑料应运而生,其中最为人所熟知的大概要数聚乳酸了。

  顺势而出的合成高分子化合物

  聚乳酸

  聚乳酸, 顾名思义, 是乳酸聚合得到的高分子化合物。乳酸是一种有机物。人们进行剧烈运动时,葡萄糖在体内会被代谢为丙酮酸,后者再进一步代谢为乳酸。牛奶在发酵成酸奶时,乳酸菌会将乳糖转化为乳酸,从而带来独特的酸味。事实上,乳酸这个名称的由来,就是由于它最初是在发酵的牛奶中被发现,而做出这一发现的是以发现氧气闻名的瑞典化学家舍勒。而乳酸能够聚合成聚乳酸,最早则是被以合成尼龙闻名的美国化学家卡罗瑟斯发现的。

  不过,在聚乳酸被发现后很长一段时间里,它却一直被束之高阁,这是为什么呢?由于技术所限,卡罗瑟斯最初得到的聚乳酸分子量不高,因此强度不高。后来研究人员通过改进方法,成功增加了聚乳酸的分子量。但即便如此,聚乳酸在性能上仍然没有太多的亮点,有些方面比其他塑料还要差,例如,它比较脆,热稳定性也不太好。

  在沉寂了几十年之后,聚乳酸终于迎来了它的第一个“伯乐”——生物医学行业的从业者。与其他合成的塑料相比,聚乳酸有一个独特之处,那就是在合适条件下可以降解成无毒无害的乳酸。因此,它可以实现其他材料无法做到的一些独特应用。但聚乳酸真正迎来更大的发展机遇还是在白色污染问题得到重视以后。如果用聚乳酸来代替传统的塑料,不就可以通过降解来缓解废弃塑料制品在环境中的积累吗?虽然聚乳酸机械强度等方面的性能不够出色,但也不比常规塑料差得太多,并且通过一些技术手段可以适当提高。而且不像纤维素塑料的加工需要繁琐的化学反应,聚乳酸可以像其他塑料那样通过加热熔融来成型,在生产上要方便很多。

  更重要的一点是,人们发现乳酸可以通过淀粉的发酵而得到,这使得聚乳酸的成本显著下降。因此,聚乳酸开始被大量用于生产食品包装、餐具等常规的塑料制品。可以预见,在不久的将来,聚乳酸还将迎来更加迅猛的发展。

  生物降解恐非消除白色污染的良药

  虽然聚乳酸在过去的几十年间进步飞速,许多传统的塑料在性能上仍然具有聚乳酸难以企及的优势,那么有没有可能在继续使用这些材料的同时,又设法让它们变得能够被生物所降解呢?一个可能的办法是对自然界进行“拉网式排查”,看看有没有可能在某个此前不为人所知的角落,找到能够有效吃掉白色污染的神奇生物。通过这一途径,科学家们还真的收获了不少令人振奋的结果。

  除了本文开头提到的黄粉虫,另一个典型的例子是2016 年的关于聚对苯二甲酸乙二醇酯的一项发现。聚对苯二甲酸乙二醇酯通常被认为无法被微生物降解,但就在这一年,日本科学家在一处聚对苯二甲酸乙二醇酯制品的回收工厂中发现了一种此前从未被报道过的细菌。它能够利用体内两种特殊的酶将这种塑料分解为对应的单体对苯二甲酸和乙二醇。这项研究启发科学家们,遍地的塑料垃圾或许已经成了一种新的环境因素,可以帮助我们筛选出那些能够让微生物以塑料为食的基因突变。一年之后,来自英国和西班牙的研究人员还发现,大蜡蛾这种昆虫的幼虫可以将聚乙烯降解为乙二醇。

  除了寄希望于新的微生物,一些生产厂商还将特殊的添加剂添加到聚乙烯、聚丙烯等难以降解的塑料中,声称这些添加剂能够借助光照、微生物等外界因素,加快塑料的降解。还有的厂家将聚乳酸、淀粉等可降解的塑料与不可降解的塑料混合。这样的塑料在进入市场时,往往也带上了“可降解”的标签。

  然而,这些所谓的可降解塑料真的能降解吗?

  要回答这一问题,我们必须明确,究竟什么样的塑料可以被称为生物可降解塑料?一般来说,有这样两条标准必须符合:首先,这种材料必须能够在合理的时间内被环境中的微生物降解;第二条标准是降解产物必须无毒无害,能够被生物再次利用。

  有了这两条标准,市面上五花八门的可降解塑料哪些名实相符,哪些则是滥竽充数,就一目了然了。

  如果用上面两条标准去衡量,淀粉、纤维素这样的天然高分子材料很容易过关,但聚乳酸就有些麻烦了。乳酸在自然界很常见,聚乳酸对于微生物来说却是相当陌生。虽然近年来科学家们找到了一些能够直接降解聚乳酸的微生物,但聚乳酸在环境中的降解主要并不是依赖于微生物,而是通过聚乳酸与水发生水解反应导致分子逐渐变小。只有当聚乳酸的分子变得足够小时,微生物才有可能参与进来分一杯羹。

  环境公害变身环保明星?

  让我们再回过头来看看黄粉虫降解塑料这项研究。虽然确实早就有人观察到黄粉虫能够以塑料为食,但实验者往往只是观察到黄粉虫可以取食塑料,并不能证明被黄粉虫吃下的塑料究竟被转化成了何种物质,因此很难令人信服黄粉虫可以降解塑料。

  此次来自中美两国的研究人员利用先进的检测手段,成功证明聚苯乙烯塑料被黄粉虫取食后确实有一部分变成了二氧化碳和黄粉虫自身的生物质,这就无可辩驳地证实黄粉虫确实能够在一定程度上降解塑料。不仅如此,研究人员还进一步证实,黄粉虫之所以能够消化塑料,是由于其消化道中的细菌在帮忙,并且成功分离鉴别出这种细菌,为进一步的研究奠定了基础。

  然而,值得注意的是,根据论文中提供的数据,被黄粉虫吃下的聚苯乙烯有一半左右变成二氧化碳排出体外,很少一部分留在黄粉虫体内,剩下的一半都通过粪便被排泄掉。同时,在粪便中仍然可以检测到平均分子量相当于原先80% 的聚苯乙烯,也就是说聚苯乙烯并没有完全消失。因此,一个合理的推断是,黄粉虫虽然从塑料中获取一定的养分,但并不能将其完全降解。残存在黄粉虫粪便中的聚苯乙烯及其他可能的降解产物对环境会产生什么样的影响,仍然需要进一步的研究。美国化学会主办的《化学化工新闻》就援引的一位业内人士的话指出聚苯乙烯并没有被完全降解,对环境仍然可能产生负面影响。

  类似的,近年来,其他一些关于通过生物来降解传统塑料的报道,也受到了不同程度的质疑。例如,大蜡蛾的幼虫能够降解聚乙烯的报道,发表不久就遭到德国同行的质疑,后者认为相关的实验证据不够确凿有力,不排除是聚乙烯样品被蛋白质污染。而日本科学家发现的能够降解聚对苯二甲酸乙二醇酯的细菌,虽然颇令人振奋,但也有业内人士指出,实验所用的聚对苯二甲酸乙二醇酯样品结晶度较低,而通常用于生产饮料瓶等产品的聚对苯二甲酸乙二醇酯具有一定的结晶度,会给生物降解带来极大的挑战。

  通过以上的分析,我们不难看出,生物降解确实能够在一定程度上缓解塑料带来的环境问题,但完全依靠生物降解来促使塑料垃圾进入自然界的物质循环,目前仍然是一个遥不可及的目标。

  (魏昕宇)


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