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塑料污染怎么破?要不,试试用虫子

Noel_Bauza / CC0

白色污染怎么破?要不,试试用虫子

中国科普博览,我们科学家有话说

作者:@小飛(中科院理化所)

春天,本应是万物复苏的季节,树上啾啾喳喳,水边叮叮咚咚,就连春风也是温暖湿润的,柔和地唤醒着沉睡的生灵们。

但现在,却还存在这样的景象:上下翻飞的五彩塑料袋站在树梢上呼呼啦啦地叫着,河面、湖面的冰融化了,一个个饮料瓶游到岸边,在春风的吹拂下,随着涟漪轻轻拍打着堤坝,土壤也变得松软起来,藏在土里的烟头、一次性餐盒和包装纸们也渐渐冒出了头,想呼吸一下春天的新鲜空气……

图左来自《齐鲁晚报》,图右由笔者摄于 2020 年在北京西山国家森林公园

当然,这都不是最可怕的,最可怕的是,那些本应站在树梢上啾啾喳喳的鸟儿们可能因为误食塑料袋而掉落树下,那些本应畅游水中的鱼虾龟鳖可能被渔网缠住,或者被塑料瓶卡住而动弹不得……

我国于 2008 年开始就实行了“限塑令”[1],十余年来,虽然效果不尽如人意,但塑料垃圾确实也不再像以前那么“猖狂”了。而且今年,我们又迎来了全新版本的“限塑令 2.0” [2],或许让塑料垃圾从我们眼前消失这一目标用不了多久就能实现。

不过,看不到白色污染,它们就真的就没有了吗?其实,它们可能只是换了一种存在形式,科学家们也在配合全社会继续为解决白色污染而不断努力。

图片来源:Frans Lanting, National Geographic(左);Martin Stelfox(右)

白色污染化整为零:危害仍不容小觑

白色污染,主要是由三大合成材料之一的塑料废弃后的不当处理引起的。可能表面看起来,“限塑令”的实施已经让我国的白色污染不那么严重了,不过不常看到塑料垃圾,真的就意味着没问题了吗?

并不是,2004 年《科学》杂志上发表的《Lost at Sea: Where Is All the Plastic?》一文首次提出了海洋微塑料的污染问题[3]。通过近十多年的研究,人们对微塑料的认识越来越深入,不仅发现它们对海洋、淡水、陆地等生态系统会产生严重影响——浮游动物、磷虾、昆虫等食物链底层生物会因为食入微塑料而进食或者呼吸困难,鱼类吃了富含微塑料的藻类、浮游生物等之后会出现发育迟缓以及行为异常,同时还意识到微塑料污染对食品安全来说也十分棘手——无论是食用盐中,还是饮用水里,都有过检测出微塑料的报道,而且食入微塑料的动物们被人类食用后,微塑料也会在人体中进一步富集

有研究表明,全球可能有超过 50% 的人体内都有微塑料,而通过呼吸、饮水或进食等方式都可以将微塑料带入体内。而这些肉眼看不到的小颗粒或者小纤维的来源,可能是风化的塑料袋、脱落的织物纤维,或是洗护用品里号称能去角质的微珠。这些都与人类在工业化进程中创造的合成材料密切相关

各种微塑料 图片来源:参考文献[4]

人类的印记——合成材料

现代意义上的合成材料指的是人工合成的有机高分子材料,它们起源于 19 世纪化学家们的一次次尝试,比如于 1835 年(法国 Henri Victor Regnault)和 1872 年(德国 Eugen Baumann)先后两次被无意发现的聚氯乙烯(PVC),还有 1839 年德国化学家 Eduard Simon 在蒸馏安息香酯时意外发现的聚苯乙烯(PS)。

不过绝大多数合成材料的专利申请与大规模产业化都是 20 世纪初才完成的。尤其是两次世界大战期间,人们对各类新材料的需求爆炸式增长,使得石油化工业逐步崛起,合成材料迎来了一轮又一轮的繁盛,也促使巴斯夫、杜邦、拜耳、陶氏化学等一系列国际化工龙头企业确立了他们的业界霸主地位。

每年沉积物中塑料的颗粒数变化趋势与世界塑料产量的发展趋势完美吻合。图片来源:参考文献[4]

这么算起来,诸如塑料、人造橡胶、人造纤维这些合成材料走进人们的生活其实也才刚刚百年。然而,我们的衣食住行却早已不能离开它们了。放眼四周,无论是衣物、餐具,还是桌椅或者涂料,合成材料无处不在,几乎无法想象一个完全不使用合成材料的生产或者生活场景。塑料,似乎已经成为见证我们这个时代的标记物

我们对合成材料的依赖也被记录在了地层中,2019 年的《科学进展》发表了一项研究,来自美国斯克里普斯海洋研究所的研究人员对圣巴巴拉沿岸大概 580 米深的海底沉积物岩心进行了分析。结果发现,塑料竟然已经沉积其中,合成材料作为一种典型的地层标志物成为“人类世”开始的标志。人类世这一概念是由诺贝尔化学奖得主,荷兰大气化学家保罗•克鲁岑于 2000 年提出,目的是强调人类在地质学与生态学中的决定性地位。当前,塑料在地层中的真实存在,将塑料污染问题突出地展现在我们面前。

塑料岩球样品,采自夏威夷 Kamilo 海滩。图片来源:Naturaleza

魔高一尺,道高一丈

那么,既然我们离不开塑料之类的合成材料,而它们又会造成如此之多的危害,难道我们就只能坐以待毙吗?

当然不!

近年来,随着白色污染问题引发的持续关注,世界各国除了出台诸如“限塑令”或提高塑料制品的废品回收率之类的政策之外,还在大力研发可以自然降解的新型合成材料,比如近些年合成出的聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、己二酸 - 对苯二甲酸丁二酯共聚物(PBAT)等等。

除此之外,寻找能够以塑料为生的细菌、真菌,乃至虫子,也成为了科学研究的热点。事实上,这才应该是塑料最终的归宿,只有塑料有了“天敌”,才能与地球长期和谐共存

饮料瓶的原料——聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是这类研究中的一个常客。一个比较重要的原因是这类材料本身就可以在强酸、强碱或高温水蒸气的作用下发生水解反应,同时酯基也是一类在自然界中很常见的官能团(比如油脂),因而很多微生物便都有可能可以消化这类塑料。日本的一个科研团队通过人工筛选的方式,发现了一种名叫Ideonella sakaiensis的细菌中存在多种特殊的水解酶,可以在常温下进食 PET,将其消化为聚合物的单体——对苯二甲酸和乙二醇,并且可以在 PET 薄膜上繁衍生息[5]。

左上:PET 薄膜上的 Ideonella sakaiensis 细菌(标尺:1 微米)。左下:被细菌“吃” 了 70 天的 PET 薄膜(标尺:0.5 毫米)。右:该细菌对 PET 的代谢过程。图片来源:参考文献[5]

而中科院昆明植物研究所的一个团队在伊斯兰堡的一处垃圾处理厂的土壤中分离出了一种名叫塔宾曲霉菌Aspergillus tubingensis)的真菌,发现它们可以在聚氨酯(PU)塑料上稳定生长,并且能在几个月之内将一张聚氨酯薄膜完全降解[6]。PU 具有隔热、隔音、抗震等等一大堆优点,因此也是我们生活中常用的材料之一,无论是客厅的仿木家具,还是卫生间防水涂料,无论是你新买的包包或者皮鞋,还是学校操场的塑胶跑道,都可能用到了 PU。

左上:PU 薄膜。右上:塔宾曲霉菌的菌落和微观形貌(标尺分别为 70 毫米培养基和 2 微米)。下:在沙氏琼脂培养基中由霉菌降解两周后的 PU 薄膜宏观微观形貌。图片来源:参考文献[6]

塑料袋常用聚乙烯(PE)制作而成,而北京航空航天大学的研究团队发现蜡虫(印度谷螟幼虫)能够咀嚼和进食聚乙烯 PE 薄膜,进一步研究发现是它们肚子里的两种细菌——肠杆菌 YT1 和芽孢杆菌 YP1 帮助它们将塑料薄膜消化掉了[7]。后来,进一步的研究还发现面包虫(黄粉虫)吃起塑料来更有一套,不仅能吃相对难消化的聚苯乙烯(PS),甚至可以只进食 PS 塑料泡沫就生存下去[8-9]。

蜡虫吞食 PE 薄膜 图片来源:参考文献[7]
面包虫吞食聚苯乙烯泡沫板 图片来源:参考文献[9]

虽然,无论是可降解塑料,还是寻找特殊生物进行降解,在技术层面都还不够成熟,仍有各种各样的问题,尤其是高昂的成本让市场和大多数人望而却步。不过,这些新方法、新发现还是给人们解决白色污染这一史诗级难题带来了一缕缕曙光,或许,在不久的将来,白色污染就可以得到明显的缓解。当然了,至少在现在,大家首先要做的还是不要乱扔垃圾,毕竟,开源节流才是解决问题的根本方法!


参考文献:

[1] 国务院办公厅. 国务院办公厅关于限制生产销售使用塑料购物袋的通知 [EB/OL]. gov.cn/zwgk/2008-01/08/, 2008-01-08.

[2] 熊丽. 多地出台塑料污染治理政策措施——新“限塑令”新在哪[EB/OL]. xinhuanet.com/politics/, 2020-07-07.

[3] Thompson R C, Olsen Y, Mitchell R P, et al. Lost at sea: where is all the plastic?[J]. Science, 2004, 304(5672): 838.

[4] Brandon J A, Jones W, Ohman M D. Multidecadal increase in plastic particles in coastal ocean sediments[J]. Science Advances, 2019, 5(9): eaax0587.

[5] Yoshida S, Hiraga K, Takehana T, et al. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)[J]. Science, 2016, 351(6278): 1196-1199.

[6] Khan S, Nadir S, Shah Z U, et al. Biodegradation of polyester polyurethane by Aspergillus tubingensis[J]. Environ Pollut, 2017, 225: 469-480.

[7] Yang J, Yang Y, Wu W M, et al. Evidence of polyethylene biodegradation by bacterial strains from the guts of plastic-eating waxworms[J]. Environ Sci Technol, 2014, 48(23): 13776-13784.

[8] Yang Y, Yang J, Wu W M, et al. Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 1. Chemical and Physical Characterization and Isotopic Tests[J]. Environ Sci Technol, 2015, 49(20): 12080-12086.

[9] Yang Y, Yang J, Wu W M, et al. Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 2. Role of Gut Microorganisms[J]. Environ Sci Technol, 2015, 49(20): 12087-12093. 


出品:科普中国

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