[科学技术]一袋生虫小米 让他发现塑料降解的秘密

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杨君，1965年2月出生，北京航空航天大学化学学院教授，主要从事塑料生物降解、环境生物技术和水处理技术的研究。

照片由受访者提供

不久前，平时搞科研的杨军高调亮相cc论坛。在这个被确定为ted中文版的公益论坛上，空航空航天大学北航化学学院的教授讲述了一个“虫子吃塑料”的故事，但他没有想到自己会因此而“走红”。

“挑战是不可能的，虫子吃塑料”，“20世纪危害地球500年的最差发明，被北航科学家一只虫子治好了”...朋友圈被这些标题屏蔽了，杨军有些不舒服。

塑料能被虫子吃？“白色污染”被拯救了？常识带来的最基本的问题使杨军的演讲迅速成为热点。截至目前，杨军演讲的视频播放量接近400万，是该平台最高的播放量。

演讲也让公众明白了这个被高分子材料专家、前北大校长周其峰院士评为“世界一流作品”的发现，昆虫可以“吃”塑料。

“空窗口期”的意外收获

之前从事污水生物处理研究多年的杨军，因为一袋小米，开拓了新的研究领域。对，还是一袋害虫小米。

"这个发现表明男人必须做饭。"杨军笑着说道。

回到《虫粟》，故事从一架大飞机开始。“2017年5月5日，由中国自主设计开发、国际合作制造的c919大型飞机首次飞行成功，我在2003年11月至2004年7月的大型飞机项目演示中发现‘虫子吃塑料’是the'空窗期”杨军说。

本来，大飞机项目是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》部署的16个重大项目中的“关键事件”。时任北航科技司副司长的杨军担任该项目示范秘书组组长。

“从2003年11月到2004年7月，我们一直处于高强度工作状态。2004年春节，终于放假几天，想着做饭。”杨军说，结果他发现塑料袋里的小米滋生了许多昆虫，袋子上被啃了许多小洞，飞蛾扑火。

这些小洞就像牛顿头上的苹果一样常见，大多数人都见过。然而，清华大学环境工程专业的博士生杨军脑子里却有一个想法:虫子咬了塑料袋后吃了塑料吗？如果吃了，是不是消化了？

“如果能证明昆虫真的吃塑料并将其分解，这将是一个非常重要的发现。”杨军说。

因为，在过去的50年里，全球塑料产量增加了20倍，共产生了70亿吨塑料垃圾。但由于塑料稳定的物理化学性质，至少需要500年才能自然降解。近年来，可降解塑料的出现大大提高了塑料的降解速度，但仍需要两到三年的时间。多年来，塑料的降解一直是研究人员的课题。

十年的专注只是为了证明昆虫“吃”塑料

虽然看起来塑料袋被昆虫吃了，但科学研究还是需要一个坚实的论据。杨军开始指导研究生秦小燕做蜡虫吃聚乙烯塑料薄膜的实验。

“我们通过各种渠道购买培养蜡虫，通过解剖取出其肠道内容物，接种在只覆盖有聚乙烯膜的无碳培养基上。”杨军说。碳是维持生命的主要元素。如果不给蜡虫葡萄糖、淀粉等碳源，而只给聚乙烯膜，蜡虫要么依靠聚乙烯代谢繁殖，要么因为没有能量来源而死亡。

经过28天的实验，杨军和秦小燕用电子显微镜观察了聚乙烯薄膜，发现蜡虫的肠内容物侵蚀并穿透了塑料薄膜。这意味着蜡虫的肠道微生物降解塑料。

“中国科学院微生物研究所使用的电子显微镜看到塑料薄膜的穿孔，我们的老师和学生兴奋地拥抱在一起。”几年后，杨军仍然兴奋地回忆着当时的情景。

但是，他并不急着发论文。“因为很多事情还没有弄明白，科研迫在眉睫。这是一座‘金矿’，可以发现许多非常有价值的原创成果。”他说。

当时他已经离开行政岗位，结束了五年多的学术和行政生活，开始到牛津大学考察基础研究方法，潜心研究bug，专心做学者。

“科研人员通常追求完美，注重证据和严谨，行政工作往往更灵活，我的性格更适合科研。”杨军说，多年的科技管理经验给了他更广阔的视野，帮助他跳出专业圈子去看待问题。

回到科研。肠内容物中哪些关键物质会分解聚乙烯？杨军的团队继续使用聚乙烯作为唯一的碳源，在60天内富集培养了8株纯菌株，最终通过抗拉强度试验筛选出降解能力最强的两株菌株:肠杆菌和芽孢杆菌。

实验证明，这两个菌株真的可以通过“吃”塑料薄膜来“生存”。它们在聚乙烯膜上生长稳定，活性强，能腐蚀聚乙烯膜表面。通过这些实验，他们初步弄清了降解机理:聚乙烯的长链碳碳单键被氧化断裂成具有碳氧双键的亲水羰基。

与此同时，杨军的团队扩大了调查范围，并了解到一些人使用了蚯蚓、千足虫、蛞蝓、蜗牛等。降解塑料，但结果并不令人满意。看到泡沫塑料板被黄粉虫吃掉的报道，杨军的团队决定用大得多的黄粉虫来降解聚苯乙烯，这是一种常见的白色泡沫塑料。

于是，他们做了黄粉虫降解聚苯乙烯的实验。培养1500只黄粉虫，平均30天分为三组。一组只喂聚苯乙烯泡沫，而对照组喂他们最喜欢的麦麸。结果表明，分别饲喂泡沫和麦麸的两组成活率无显著差异。

为了测定聚苯乙烯的降解程度，杨军等人收集了吃过麦麸和泡沫塑料的昆虫粪便，凝胶渗透色谱(gpc)证明聚苯乙烯的分子量降低，热重分析结果也表明分子量降低。

“50%的聚苯乙烯被黄粉虫转化成二氧化碳和昆虫。作为生化机制的“金标准”，碳13同位素标记实验也证实了这一结果。”杨军说，实验充分证明黄粉虫可以降解聚苯乙烯。

研究成果被写入中小学教科书

“我们始终相信，这个世界性的反塑料污染问题，经过深入系统的研究，已经取得了突破性的成果。因此，我们投票选择了《自然》和《科学》，这是最好的学术期刊，以及美国科学院院刊pnas(美国国家科学院院刊)。好消息是，所有提交的材料都将很快提交审查，坏消息是，它们最终被否决了。”现在回想起来，杨军更像是在讲述别人的故事，但对于已经做了十年的团队来说，这是一个巨大的挫折。

“主要是因为材料学科的审稿人坚持认为塑料是不能生物降解的，这个概念已经根深蒂固了。”杨军说。

幸运的是，这篇论文最终发表在环境科学领域的顶级期刊《环境科学与技术》上，并在业界引起了很大反响。中国工程院院士、清华大学环境学院教授钱乙对此发表了评论。这一发现是革命性的，揭示了细菌可以使用以前被认为不可能生物降解的石油基塑料。

有趣的是，由于杨军的成就，美国20多个家庭农场已经开始用泡沫塑料饲养黄粉虫。研究成果也进入了许多国家的科学博物馆、教科书或中小学参考书。

回顾过去十年，杨军说，除了感谢自己和团队的坚持，他还感谢许多合作伙伴的大力支持。“都说基础研究要放在冷板凳上，但首先要有坐下来的环境。”杨军说，北航/北航/北航化学学院院长姜磊院士的鼓励和坚定支持，使他能够走到今天。“他十年没有发表文章，也没有收到过资金，他能容忍和支持我。江院士是一位具有洞察力和气度的战略科学家

从基础研究到造福人类的工业化，杨军还有一条更艰难的路要走。“接下来，我们将继续进行基础研究，同时开始产业化。例如，开发可控制降解的新材料，制造模拟肠道环境的生物反应器。”杨军说。

“今天我在手，什么时候绑黑龙？”有点文学情怀的杨军用这句话来形容今天的心情。“我相信，我们的科学家和企业家将共同努力，把塑料垃圾这条‘长龙’拴住。”他说。