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许建初团队:真菌“吃”掉塑料垃圾难题

来源:科学网 作者:张晶晶 2017-04-28 16:08:15
内容摘要: 中国科学院昆明植物研究所许建初团队近日宣布,在塑料生物降解领域取得重大突破——发现了塔宾曲霉菌对聚氨基甲酸酯的生物降解作用。

  1869年,美国人J.W.海厄特发现在硝酸纤维素中加入樟脑和少量酒精可制成一种可塑性物质,热压下可成型为塑料制品,命名为赛璐珞。从此算起,塑料工业迄今已有120年的历史。 塑料给人类的生活带来了许多好处,它们廉价、轻便、多用,已经成为现代生产生活无处不在的主要材料。并且这些需求还在不断增长,艾伦·麦克阿瑟基金会“新塑料经济倡议”负责人罗伯·奥普索默此前在接受媒体采访时表示,对塑料的需求到2030年可能还要翻一番。

  但在享受塑料给日常生活带来的便利的同时,塑料垃圾带来的环境问题也备受关注。多数塑料都被填埋或进入海洋环境,而进入环境的塑料废弃物却给野生动植物和生态系统带来了伤害。

  如何处理这些塑料垃圾,已经成为全球各国共同关心的重点问题之一。

生物降解成热点

  中国科学院昆明植物研究所许建初团队近日宣布,在塑料生物降解领域取得重大突破——发现了塔宾曲霉菌对聚氨基甲酸酯的生物降解作用。这项研究成果以《塔宾曲霉菌(Aspergillustubingensis)对聚氨基甲酸酯的生物降解》为题,发表在国际主流环境污染(Environmental Pollution)杂志上。

  在接受《中国科学报》记者采访时,许建初表示,之所以会选择这个研究课题,正是看到了工业合成塑料的生产与使用已经对环境产生严重的危害。他介绍说,聚氨基甲酸酯(PU)是一种新兴的有机高分子材料,也是现代塑料工业中发展最快的品种之一,广泛用于工业、医疗、建筑和汽车等领域,被誉为“第五大塑料”。我们日常生活中常见的泡沫塑料、海绵和汽车垫子等,都是PU制成。

  “全球聚氨基甲酸酯(PU)年产量估计约为800万吨(Mt),并且逐年增加。这些不可降解的聚氨基甲酸酯垃圾导致了土壤和水体的污染,并最终进入海洋生态系统。而传统的填埋和焚烧法占用大量土地资源,影响土质结构及大气环境,极易造成二次生态污染。”

  科学家们想尽各种办法研究对聚氨酯材料的化学降解,目前聚氨酯材料的化学降解主要包括水解、热降解、光降解等,但这类降解成本高且易产生二次污染。

  为了解决“白色污染”问题,使人类社会和自然环境可持续发展,使用生物方法降解塑料成为当今的研究热点。

吃塑料的塔宾曲霉菌

  在此之前,2016年,日本京都科技大学(Kyoto Institute of Technology)小田耕平(KoheiOda)课题组就曾报道发现了一种相当有潜质的处理塑料的微生物,将其命名为Ideonellasakaiensis,该成果发表在《科学》杂志上。

  无论是之前小田耕平的研究,还是此次许建初团队的研究,基本策略大致相似:从塑料垃圾密集的地方着手,发现那些以此为食的“小家伙”。

  从位于巴基斯坦伊斯兰堡垃圾堆集地区采集到干净的土壤样品后,将其放入灭菌盆中,与高纯度聚氨酯(PU)薄膜混合在一起,进而发现了能够降解PU的塔宾曲霉菌。

  许建初解释说,塔宾曲霉菌可以在聚氨酯表面生长,并通过生长过程中产生的酶和塑料发生生物反应,破坏塑料分子间或聚合物间的化学键;同时,这一真菌还利用了其菌丝的物理强度,帮助“掰开”塑料聚合物。在塔宾曲霉菌作用下,原本在自然环境中难以降解的塑料,两周就可以明显看到生物降解过程,两个月后其培养基上的塑料聚合物基本消失。

  与之前小田耕平团队的研究相比,二者都是关于微生物生物降解有机塑料聚合物的研究,并且降解效率类似。

  但同时也存在以下三点不同:首先塔宾曲霉菌是真菌,而Ideonellasakaiensis是细菌;其次所降解的塑料材料不同,许建初团队研究降解的是聚氨酯(PU),而小田耕平团队是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET);第三,Ideonellasakaiensis是首次发现的新种,由研究团队自己命名,而塔宾曲霉菌并不是首次发现及命名,却是首次发现其有降解塑料的能力。

或成治污利器

  谈及目前塑料垃圾处理的两个主要方向,许建初告诉《中国科学报》记者:一是发现具备降解塑料垃圾能力的关键微生物和关键酶,并推广至大规模生产;另一个是可生物降解的塑料的研发,主要通过聚合淀粉、二氧化碳等可降解小分子来生产塑料制品。

  “而其中真菌分解具备自己的独特优势。相比较其他传统处理方式,真菌分解能够完全将聚合物降解成小分子,占地少,不会形成二次污染。并且其生产的小分子物质可被其他生物体重新吸收利用。”

  从已经发表的论文简介中看,研究成果已经在饱受白色污染困扰的巴基斯坦首都伊斯兰堡展开了具体实践性的试验。许建初告诉记者,以目前的研究来看,塔宾曲霉菌具有广阔的应用前景,“它属于可培养真菌,培养条件并不苛刻。并且降解速率较快且效果明显,适用于以后大规模生产。目前尚处于实验室小批量培养阶段,一旦了解清楚其中的机制机理,便可适用于大批量试验”。

  在真正成为“治污利器”之前,许建初认为,还需要解决以下四个主要问题:真菌的大批量生产、塑料垃圾的分类和前处理、真菌培养条件的建立以及对其中关键酶和机制的了解。

  许建初强调说:“真菌降解的塑料有其特异性,另外对塑料的成分结构可能也有特定的要求。此外,真菌降解塑料的能力受环境因子如温度、酸碱度等的影响;并且在自然环境中,该过程可能受到其他微生物的抑制。”

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