生物化學教授楊軍 一袋生了蟲子的小米讓他發(fā)現塑料降解的秘密

在櫥柜里發(fā)現一個塑料袋里的小米生了很多蟲子，袋子被啃了許多小洞，竟有蛾子飛了出來。這些小洞尋常得就像砸在牛頓頭上的蘋果，他腦中卻閃出了一個想法：蟲子咬破塑料袋后，把塑料吃進去了嗎？如果吃進去了，消化了嗎？

楊軍，生于1965年2月，北京航空航天大學化

學學院教授，主要從事塑料生物降解、環(huán)境生物技術和水處理技術等方面的研究。前不久，平時“悶頭”搞科研的楊軍高調了一把，走上了公益講壇，這位北京航空航天大學化學學院教授講了一個“蟲子吃塑料”的故事，可他沒料到自己會因此而“走紅”。該演講也讓公眾了解到這一被高分子材料領域專家、北京大學原校長周其鳳院士評價為“世界級工作”的發(fā)現—一蟲子可以“吃”塑料。

“空窗期”下廚的意外收獲

此前從事多年污水牛物處理研究的楊軍因為一袋小米開辟了一個全新的研究領域。沒錯，還是一袋生蟲的小米?！斑@個發(fā)現說明，男人一定要做飯”，楊軍笑著說。言歸正傳回到“生蟲小米”，這個故事要從大飛機開始講起?！?017年5月5日，中國自主設計研發(fā)、國際合作制造的C919大飛機首飛成功，而我發(fā)現‘蟲子吃塑料正是在2003年11月到2004年7月論證大型飛機項目期間的‘空窗期?！睏钴娬f。原來，大型飛機項目是《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中部署的16個重大專項中的“重頭戲”。時任北航科技處副處長的楊軍擔任了該項目的論證秘書組組長。

“從2003年Il月到2004年7月，我們一直處在高強度工作狀態(tài)，2004年春節(jié)，好不容易可以休息幾天，我就想著做做飯?！睏钴娬f，結果他在櫥柜里發(fā)現一個塑料袋里的小米生了很多蟲，袋子被啃了許多小洞，竟有蛾子飛了出來。這些小洞尋常得就像砸在牛頓頭上的？蘋果，絕大部分人都見過。但博士畢業(yè)于清華環(huán)境工程專業(yè)的楊軍，那時腦中卻閃出了一個想法：蟲子咬破塑料袋后，把塑料吃進去了嗎？如果吃進去了，消化了嗎？

“如果能證實蟲子確實吃進塑料并且將其分解的話，這將是一個非常重要的發(fā)現。”楊軍說。因為，過去50年，全球塑料產量增長了20倍，累計產生了70億噸塑料垃圾。但由于塑料本身的物理化學性質穩(wěn)定，其自然降解至少需要500年。近年來，可降解塑料的問世大大提升了望料的降解速度，但依然需要兩到三年的時間。實現塑料降解是科研人員多年來的課題。

十年潛心蟲子“吃”塑料

雖然看上去塑料袋是被蟲子吃掉了，但科學研究還需要扎實的論證。楊軍開始指導研究牛秦小燕做“蠟蟲吃聚乙烯塑料薄膜”的實驗。 “我們通過各種渠道購買和培養(yǎng)了蠟蟲，通過解剖將其腸道內含物取出，接種于僅僅鋪有聚乙烯薄膜的無碳培養(yǎng)基上?！睏钴娬f。碳是維持牛命的主要元素，如果小給蠟蟲葡萄糖、淀粉等碳源，只給聚乙烯薄膜，蠟蟲要么依靠聚乙烯進行代謝繁殖，要么因沒有能量來源而死掉。實驗進行了28天，楊軍和秦小燕通過電鏡觀察聚乙烯薄膜發(fā)現，蠟蟲腸道內含物侵蝕并穿透了塑料薄膜。這意味著蠟蟲的腸道微生物降解了塑料。

“在中科院微生物所用電鏡看到塑料薄膜穿孔時，我們師生激動地擁抱在一起。”時隔幾年，回憶起那時的情景楊軍依然很興奮。但他并沒有著急發(fā)表論文，“因為很多東西還沒搞明白，科研急彳不得。這是一個‘金礦，可以發(fā)掘出很多非常有價值的原創(chuàng)性成果。”他說。彼時，他已離開行政管理崗位，結束了五年多學術和行政“兩肩挑”的生活，開始訪問牛津大學學習基礎研究方法，潛心研究起蟲子，專心做一名學者。

“科研人員通常追求完美，講究證據、嚴謹，而行政工作很多時候靈活性更大，我的個性更適合做科研。”楊軍說，多年科技管理的經歷讓他擁有更寬闊的視野，幫他跳出專業(yè)小圈子看問題?；氐娇蒲猩?。到底是腸道內含物里的哪些關鍵物質分解了聚乙烯？楊軍團隊繼續(xù)以聚乙烯為唯一碳源，60天富集培育分離出8種純菌株，并最終通過抗拉強度試驗選擇了兩種降解能力最強的菌種：阿氏腸桿菌和芽孢桿菌。實驗證明，這兩種菌株的確可以靠“吃”塑料薄膜“活下來”。它們在聚乙烯薄膜上穩(wěn)定增長，活性較強，可以侵蝕掉聚乙烯膜表面。通過這些實驗，他們初步搞清了降解機制：將聚乙烯這種長鏈的c-c單鍵氧化斷裂成為一個親水的碳氧雙鍵的羰基。同時，楊軍團隊擴大調研范圍，了解到有人用蚯蚓、千足蟲、蛞蝓、蝸牛等做過降解塑料的實驗，但效果并小理想?？吹接嘘P泡沫塑料板被黃粉蟲啃食的報道，楊軍團隊決定用個頭大很多的黃粉蟲試著降解更艱難的目標——聚苯乙烯，也就是常見的白色泡沫塑料。

于是，他們又做了黃粉蟲降解聚苯乙烯實驗。培養(yǎng)了1500條黃粉蟲，將其平均分成三組，進行為期30天的實驗。一組僅喂食聚苯乙烯的泡沫塑料，對照組喂食它們喜歡的麥麩。結果發(fā)現，分別單獨喂食泡沫塑料和麥麩的兩組存活率沒有顯著差異。為測量聚苯乙烯的降解程度，楊軍等收集了吃過麥麩和泡沫塑料的蟲糞，并用GPC（凝膠滲透色譜）證明聚苯乙烯的分子量降低了，熱重結果也表明分子量降低了?！?0%的聚苯乙烯被黃粉蟲轉化為二氧化碳和蟲體。作為牛物化學機制的‘金標準，碳13-同位素標記示蹤的實驗也證實了這個結果。”楊軍說，該實驗充分證明了黃粉蟲能降解聚苯乙烯。

研究成果寫進中小學教材 “我們一直認為，這個針對塑料污染的世界難題，經過了深入系統的研究，取得了突破性的成果。因此，我們投了學術期刊里最好的《自然》《科學》，以及美國科學院的院刊《PNAS（美國科學院院報）》。好消息是所有投稿很快就被送審，壞消息是最后都被拒了。”如今回想起來，楊軍更像是在講別人的故事，可當時這對做了十年的團隊而言是不小的挫敗。“主要是因為材料學科的審稿人堅持認為塑料是小能被牛物降解的，這個概念已經根深蒂固?！睏钴娬f。

幸運的是，論文最后發(fā)表于環(huán)境科學領域頂尖期刊《環(huán)境科學與技術》，并在業(yè)界引起很大反響。中國工程院院士、清華大學環(huán)境學院教授錢易對此評價，這個發(fā)現是革命眭的，揭示了細菌能利用于過去被認為不可能生物降解的石油基塑料。

有意思的是，因為楊軍的成果，美國已有20多家家庭農場開始用泡沫塑料養(yǎng)殖黃粉蟲。其研究結果也已進入多個國家的科學博物館、中小學教材或者參考書?；厥走^去的十幾年，楊軍說，除了感謝自己和團隊的堅持，也很感激眾多合作者的大力支持?！岸颊f基礎研究要甘坐冷板凳，但首先得有坐下去的環(huán)境?！睏钴娬f，北京航空航大大學化學學院院長江雷院士對他的鼓勵和堅定支持讓他能走到現在，“十年沒發(fā)文章，也沒拿經費，他還能容忍我、支持我，江院士是一位具有洞察力和寬容胸懷的戰(zhàn)略科學家”。從基礎研究到產業(yè)化造福人類，還有更艱難的路等著楊軍去走。“接下來我們要繼續(xù)進行基礎研究，同時著手產業(yè)化。例如，開發(fā)出降解可控的新型材料，以及制造出仿腸道環(huán)境的生物反應器等等?！睏钴娬f。

“今日長纓在手，何時縛住蒼龍？”有一點文學情懷的楊軍用這句話來形容今日心境?！拔蚁嘈?，我們科學家跟企業(yè)家共同努力，一定能縛住塑料垃圾這條‘長龍?！彼f。

邢大軍據《科技日報》整理