靠細菌和蟲子能吃掉白色汙染嗎?

2019-08-21 13:58:46來源: 中國食品報網

  來自中美兩國的研究人員發現,黃粉蟲這種昆蟲的幼蟲(俗稱面包蟲),能夠吞食和降解塑料。消息傳出後,真可謂一石激起千層浪。有些人認爲,長期困擾人類社會的白色汙染問題終于有了解決之道;有些人則不以爲然,認爲黃粉蟲能以塑料爲食早就不是秘密,此項研究毫無新意。這一研究引發的爭議,實際上體現出的是,公衆對近年來方興未艾的生物可降解塑料這一研究領域的關注和期待。

  在塑料誕生前,人類一直在利用天然的高分子化合物,爲什麽在過去並沒有出現白色汙染呢?一個重要的原因在于,在與這些天然高分子化合物共存的漫長歲月裏,各種微生物已經進化出一系列的酶,能夠將這些龐大的分子轉變成可以爲生物再次利用的養料。然而,合成高分子材料誕生至今不過100多年的曆史,微生物對它們並不熟悉,面對這些全新的化學結構時往往會“無計可施”。這樣一來,人工合成的高分子材料難免會在環境中長久地累積下來。

  有人不禁要問,把天然高分子材料再請回來,白色汙染問題不就迎刃而解了嗎?事實真的會如此簡單嗎?讓我們一起來看一看吧。

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  心有余而力不足的天然高分子材料

  纖維素

  在天然高分子化合物中,含量最爲豐富的要數纖維素了。纖維素廣泛存在于植物特別是樹木中,是由數百至上千個葡萄糖分子相互連接而形成的線性高分子。要問纖維素的機械強度如何,那些參天大樹是再好不過的證明。按理說,如此強勁的高分子化合物足以秒殺一切合成的塑料了,但偏偏正是這一點成了纖維素的“軟肋”。塑料之所以應用廣泛,很重要的一點在于這個“塑”字,即可以通過熔融流動來被加工成任意形狀。即便是高溫下不能熔化的熱固性塑料,也可以通過溶液等其他液體形式來實現成型加工。然而,纖維素由于分子間的相互作用極強,在高溫下甯可降解也不肯流動,同時它也很難溶于大部分溶劑,這就使得纖維素的應用受到很大的限制。

  長久以來,人們從未放棄過更好地利用纖維素的努力,其中造紙術的發明或許可以看作第一步。在造紙過程中,木材等富含纖維素的原料通過機械或者化學過程被分解成纖維素的短纖維。這些短纖維幹燥成型後就得到了紙。紙的出現,無疑是纖維素利用的充分體現。這些紙制品也經常替代塑料用于包裝、餐具等領域。但紙畢竟不是塑料,許多性能也無法媲美塑料,例如,紙遇水後強度就下降許多,而且無法像塑料那樣做到完全透明。事實上,許多紙質包裝材料往往還需要塑料的配合才能達到比較理想的效果。例如,許多用來裝牛奶的紙盒就必須在內部塗上一層塑料才能保證良好的防水效果。另外,紙雖然以可再生的植物爲原料,廢棄後也可以被微生物降解,但其生産過程中要産生大量的汙水,對環境的負面影響也不容忽視。因此,用紙制品來進一步代替塑料制品,恐怕未必是很好的選擇。

  到了近代,人們在不斷地摸索中發現了更好地改造纖維素的方法。纖維素之所以難以熔化或者溶于溶劑,是因爲分子間存在著強烈的氫鍵,而氫鍵的存在又是源于纖維素分子中大量的羟基結構。如果通過化學反應讓羟基轉化爲別的結構,就有可能破壞纖維素分子之間的氫鍵,讓纖維素變得能夠溶解,這也正是這些新方法的切入點。另一種改造纖維素的方法,是用堿溶液和二硫化碳處理纖維素。經過複雜的過程,纖維素的化學結構沒有改變,物理結構卻發生了變化,加工起來變得更加容易,這就是所謂的“再生纖維素”。

  然而,再生纖維素的生産過程中,要用到二硫化碳這種毒性很高且易燃的物質,對工人的健康和安全是一個嚴重的威脅。不過近年來,許多科學家們嘗試用更加安全環保的化學試劑來取代二硫化碳,並取得了一定的進展。

  澱粉

  與纖維素一樣,澱粉也是由葡萄糖連接而成的高分子化合物,但二者不僅葡萄糖分子之間的連接方式有所不同,而且纖維素分子完全是直鏈結構,而澱粉分子則有一部分是分支結構,這使得澱粉分子之間的相互作用更容易被破壞。如果把澱粉與少量的水混合並加熱,澱粉就可以像熱塑性塑料那樣熔化流動,從而被加工成不同的形狀,這樣得到的澱粉被稱爲熱塑性澱粉。熱塑性澱粉同樣可以被微生物降解,而且加工又比纖維素容易得多,加之澱粉的來源也很廣泛,因此熱塑性澱粉近年來頗受重視。然而,相對較弱的分子間作用力既使得澱粉比纖維素容易加工,也導致熱塑性澱粉的強度要比纖維素遜色許多,因此通常要和其他高分子材料混合才能達到令人滿意的效果。這就嚴重制約了熱塑性澱粉的推廣應用。

  當然,除了纖維素和澱粉,還有許多其他的天然高分子化合物也有可能成爲塑料的替代品。但這些天然高分子化合物大多也面臨著這樣或那樣的問題。例如,有一種名爲普魯蘭多糖的天然高分子化合物,結構與纖維素類似,機械性能也不差,但它可以直接溶于水,因此加工起來要方便得多,但這種材料目前只能通過微生物發酵來獲取。

  天然的高分子材料不夠給力,科學家們只好求助于人工合成。由此,一大批新的生物可降解塑料應運而生,其中最爲人所熟知的大概要數聚乳酸了。

  順勢而出的合成高分子化合物

  聚乳酸

  聚乳酸, 顧名思義, 是乳酸聚合得到的高分子化合物。乳酸是一種有機物。人們進行劇烈運動時,葡萄糖在體內會被代謝爲丙酮酸,後者再進一步代謝爲乳酸。牛奶在發酵成酸奶時,乳酸菌會將乳糖轉化爲乳酸,從而帶來獨特的酸味。事實上,乳酸這個名稱的由來,就是由于它最初是在發酵的牛奶中被發現,而做出這一發現的是以發現氧氣聞名的瑞典化學家舍勒。而乳酸能夠聚合成聚乳酸,最早則是被以合成尼龍聞名的美國化學家卡羅瑟斯發現的。

  不過,在聚乳酸被發現後很長一段時間裏,它卻一直被束之高閣,這是爲什麽呢?由于技術所限,卡羅瑟斯最初得到的聚乳酸分子量不高,因此強度不高。後來研究人員通過改進方法,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沒有太多的亮點,有些方面比其他塑料還要差,例如,它比較脆,熱穩定性也不太好。

  在沉寂了幾十年之後,聚乳酸終于迎來了它的第一個“伯樂”——生物醫學行業的從業者。與其他合成的塑料相比,聚乳酸有一個獨特之處,那就是在合適條件下可以降解成無毒無害的乳酸。因此,它可以實現其他材料無法做到的一些獨特應用。但聚乳酸真正迎來更大的發展機遇還是在白色汙染問題得到重視以後。如果用聚乳酸來代替傳統的塑料,不就可以通過降解來緩解廢棄塑料制品在環境中的積累嗎?雖然聚乳酸機械強度等方面的性能不夠出色,但也不比常規塑料差得太多,並且通過一些技術手段可以適當提高。而且不像纖維素塑料的加工需要繁瑣的化學反應,聚乳酸可以像其他塑料那樣通過加熱熔融來成型,在生産上要方便很多。

  更重要的一點是,人們發現乳酸可以通過澱粉的發酵而得到,這使得聚乳酸的成本顯著下降。因此,聚乳酸開始被大量用于生産食品包裝、餐具等常規的塑料制品。可以預見,在不久的將來,聚乳酸還將迎來更加迅猛的發展。

  生物降解恐非消除白色汙染的良藥

  雖然聚乳酸在過去的幾十年間進步飛速,許多傳統的塑料在性能上仍然具有聚乳酸難以企及的優勢,那麽有沒有可能在繼續使用這些材料的同時,又設法讓它們變得能夠被生物所降解呢?一個可能的辦法是對自然界進行“拉網式排查”,看看有沒有可能在某個此前不爲人所知的角落,找到能夠有效吃掉白色汙染的神奇生物。通過這一途徑,科學家們還真的收獲了不少令人振奮的結果。

  除了本文開頭提到的黃粉蟲,另一個典型的例子是2016 年的關于聚對苯二甲酸乙二醇酯的一項發現。聚對苯二甲酸乙二醇酯通常被認爲無法被微生物降解,但就在這一年,日本科學家在一處聚對苯二甲酸乙二醇酯制品的回收工廠中發現了一種此前從未被報道過的細菌。它能夠利用體內兩種特殊的酶將這種塑料分解爲對應的單體對苯二甲酸和乙二醇。這項研究啓發科學家們,遍地的塑料垃圾或許已經成了一種新的環境因素,可以幫助我們篩選出那些能夠讓微生物以塑料爲食的基因突變。一年之後,來自英國和西班牙的研究人員還發現,大蠟蛾這種昆蟲的幼蟲可以將聚乙烯降解爲乙二醇。

  除了寄希望于新的微生物,一些生産廠商還將特殊的添加劑添加到聚乙烯、聚丙烯等難以降解的塑料中,聲稱這些添加劑能夠借助光照、微生物等外界因素,加快塑料的降解。還有的廠家將聚乳酸、澱粉等可降解的塑料與不可降解的塑料混合。這樣的塑料在進入市場時,往往也帶上了“可降解”的標簽。

  然而,這些所謂的可降解塑料真的能降解嗎?

  要回答這一問題,我們必須明確,究竟什麽樣的塑料可以被稱爲生物可降解塑料?一般來說,有這樣兩條標准必須符合:首先,這種材料必須能夠在合理的時間內被環境中的微生物降解;第二條標准是降解産物必須無毒無害,能夠被生物再次利用。

  有了這兩條標准,市面上五花八門的可降解塑料哪些名實相符,哪些則是濫竽充數,就一目了然了。

  如果用上面兩條標准去衡量,澱粉、纖維素這樣的天然高分子材料很容易過關,但聚乳酸就有些麻煩了。乳酸在自然界很常見,聚乳酸對于微生物來說卻是相當陌生。雖然近年來科學家們找到了一些能夠直接降解聚乳酸的微生物,但聚乳酸在環境中的降解主要並不是依賴于微生物,而是通過聚乳酸與水發生水解反應導致分子逐漸變小。只有當聚乳酸的分子變得足夠小時,微生物才有可能參與進來分一杯羹。

  環境公害變身環保明星?

  讓我們再回過頭來看看黃粉蟲降解塑料這項研究。雖然確實早就有人觀察到黃粉蟲能夠以塑料爲食,但實驗者往往只是觀察到黃粉蟲可以取食塑料,並不能證明被黃粉蟲吃下的塑料究竟被轉化成了何種物質,因此很難令人信服黃粉蟲可以降解塑料。

  此次來自中美兩國的研究人員利用先進的檢測手段,成功證明聚苯乙烯塑料被黃粉蟲取食後確實有一部分變成了二氧化碳和黃粉蟲自身的生物質,這就無可辯駁地證實黃粉蟲確實能夠在一定程度上降解塑料。不僅如此,研究人員還進一步證實,黃粉蟲之所以能夠消化塑料,是由于其消化道中的細菌在幫忙,並且成功分離鑒別出這種細菌,爲進一步的研究奠定了基礎。

  然而,值得注意的是,根據論文中提供的數據,被黃粉蟲吃下的聚苯乙烯有一半左右變成二氧化碳排出體外,很少一部分留在黃粉蟲體內,剩下的一半都通過糞便被排泄掉。同時,在糞便中仍然可以檢測到平均分子量相當于原先80% 的聚苯乙烯,也就是說聚苯乙烯並沒有完全消失。因此,一個合理的推斷是,黃粉蟲雖然從塑料中獲取一定的養分,但並不能將其完全降解。殘存在黃粉蟲糞便中的聚苯乙烯及其他可能的降解産物對環境會産生什麽樣的影響,仍然需要進一步的研究。美國化學會主辦的《化學化工新聞》就援引的一位業內人士的話指出聚苯乙烯並沒有被完全降解,對環境仍然可能産生負面影響。

  類似的,近年來,其他一些關于通過生物來降解傳統塑料的報道,也受到了不同程度的質疑。例如,大蠟蛾的幼蟲能夠降解聚乙烯的報道,發表不久就遭到德國同行的質疑,後者認爲相關的實驗證據不夠確鑿有力,不排除是聚乙烯樣品被蛋白質汙染。而日本科學家發現的能夠降解聚對苯二甲酸乙二醇酯的細菌,雖然頗令人振奮,但也有業內人士指出,實驗所用的聚對苯二甲酸乙二醇酯樣品結晶度較低,而通常用于生産飲料瓶等産品的聚對苯二甲酸乙二醇酯具有一定的結晶度,會給生物降解帶來極大的挑戰。

  通過以上的分析,我們不難看出,生物降解確實能夠在一定程度上緩解塑料帶來的環境問題,但完全依靠生物降解來促使塑料垃圾進入自然界的物質循環,目前仍然是一個遙不可及的目標。

  (魏昕宇)


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