新葡萄京官网吃掉塑料的酶

发布时间:2020-03-30  栏目:印包耗材  评论:0 Comments

摘要:人类丢弃的塑料垃圾在海洋上形成了一个又一个大型垃圾浮岛,最大的面积甚至和得州差不多。科学家们近日发现,围绕这些塑料垃圾开始形成新的生态圈。一些狡猾的微生物先寄居到塑料碎屑上,吸引海洋动物将它们吞吃入腹,从而进入一个营养更丰富的环境。假如果真如此,塑料垃圾对海洋环境的长远影响将远远超出从前的估计。反过来,也许可以在塑料中添加适当材料,引诱微生物以人类的垃圾为食,帮助我们清扫被污染的海洋。
  在最远离人烟的海洋上,漂浮着成千上万的塑料碎片。它们是污染的源头,然而,海洋就像一头坚强的巨兽。即使在如此荒凉的地方,人类的垃圾也开始吸引成群的生命。近期研究显示,海洋上漂浮的垃圾为微生物开启了新的进化通道,创造出新的食物链。  你或许听说过海洋垃圾带———
汇聚了大量塑料垃圾的水域。这是上世纪70年代才出现的新问题,首先引起关注的是大量的泡沫塑料,其他的塑料垃圾接踵而至,2012年,科学家宣布,在过去40年里,海洋中漂浮的塑料增加了100倍。联合国环境计划署估计,现在每平方英里海面上平均可以找到4.6万块塑料。仅仅在太平洋上就漂浮着1800
万吨塑料,最大的垃圾浮岛的面积甚至相当于得克萨斯州。  大量的垃圾来自轮船。当远离港口时,这些轮船就会肆无忌惮地向海里倾倒垃圾。上世纪70年代中期,国际海事组织颁布了海上倾倒垃圾禁令,试图减少船只对海洋的污染。今天,大洋中的塑料垃圾主要来自河流。被人丢弃在沙滩上或是随风飘进河水的塑料顺流而下进入海洋。  用于制作瓶子的高密度塑料,比如聚乙烯对苯二甲酸酯,因风吹日晒,阳光的氧化而粉碎,沉入海底。科学家们也不知道它们之后的命运。据估计,沉入海底的塑料的数量比漂浮在水面上的多10倍。  剩下的塑料被困在大洋5大环流中。被卷入大洋环流的塑料在海水冲击下破碎成小块,被吸入洋流中心的漩涡。伍兹豪尔海洋研究所专门研究大洋垃圾带的地球化学家特雷西·明赛说,一个塑料瓶和一块泡沫塑料从美国东岸漂到大洋环流中心只需要6周。  “这些洋流强大、流速快,漂浮垃圾没有机会摆脱它们的控制漂回陆地。”一旦塑料碎片抵达环流中心,将被反复来回地搅动。如果风力强劲,掀起
1-2英尺的海浪,你很难发现它们的存在。在风平浪静的时候,它们就像五彩纸屑一样铺洒在海面。阳光和海浪的作用让这些塑料分解为直径1-10毫米的碎屑,它们可以在水面上停留相当长一段时间。  这些碎屑最后停留的地方是海上最人迹罕至的区域,那里的海水很深,周围几英里内看不到任何岛屿。对于居住在那里的生物———大多为小虾和微型植物———
这是一个竞争激烈的环境,任何营养很快就会被占有。  不计其数的垃圾碎屑形成全新的表面。每当水面上形成新的表面,从前罕见而稀有的营养素开始累积,有点类似于窗户玻璃外积累的灰尘或是汽车引擎盖上堆积的污垢。营养元素形成薄膜附着在塑料碎屑的表面。科学家们最近发现,突然出现的大量营养物质唤醒了休眠的微生物。明赛说,“它们对周围的环境非常熟悉,总是能够找到通向营养素的途径。它们朝着自己需要的化学物质游去,不断追寻营养更密集的地方。”  当这些微生物找到布满营养素(它们的食物)的表面,就在这些塑料碎屑上定居下来,开始大量繁殖。研究者们发现,有数千种微生物已经在海洋塑料碎屑上安家。其中有不少属于硅藻———吞食塑料表面营养素并从阳光获取能量的单细胞植物。  于是,在曾经的大洋中心荒漠上出现了不断繁殖壮大的新生命群落。而且,这些微生物还能生产碳和其他大型动物所需的食物。  地球上最大规模的生命迁徙每天晚上都在发生。日落之后,依靠视觉的捕食者从海洋深处游上来。不计其数的鱼和其他饥饿的动物来到水面寻找食物。  通常,在海洋深处,它们可以找到的食物有限。但是最近对海上塑料垃圾带的研究发现,喜欢附着在塑料碎屑表面的微生物们有着生物发光的能力。换句话说,当太阳落下,热爱塑料的微生物就开始发光。  依靠视觉的捕食者们更容易吞噬发光的食物。这一本能帮助它们找到营养更丰盛的食物。科学家研究居住在垃圾带周围的鱼类后发现,多达10%的鱼腹腔内含有塑料,原来,寄生在塑料碎屑上的发光微生物被它们视为美餐。  科学家们怀疑,这些塑料创造了一种虚假的食物网络,而促成这一切的正是以被鱼类吞食为最终目标的微生物,在鱼的肚子里它们才能获得源源不断的营养。“这些微生物设下诱饵只等鱼儿上钩,”明赛说,“如果仔细研究它们的基因,就会发现它们具有在动物肠道内寄生的能力。”明赛和其他来自伍兹豪尔和海洋教育协会的科学家组成的团队在美国国家科学基金会的资助下正在研究一个全新的海洋生态世界———“塑料生态圈”。  通过DN
A分析和实验室培育微生物,他们希望证明自己的理论———
这些微生物已经进化出将塑料用作实现最终目的工具的能力。这可以帮助科学家们更清楚地认识塑料对海洋环境的影响。目前,他们只能看到污染导致的短期影响。但如果能够证明塑料导致了物种的变异进化,那么他们就可以证明人类的垃圾对于环境的长期影响远远超出我们的估计。在明赛看来,大量证据显示他们的猜测是正确的。  首先,在此之前科学家们从没见过微生物试图通过占领塑料达到进入鱼腹的目的。  其次,生活在塑料碎屑上的微生物和那些周围漂浮的微生物大不相同。这意味着,它们中只有小部分生活在开放的水面———在它们在塑料碎屑上安家之前,科学家从未见过此类微生物如此大规模地聚集。  最后,它们需要附着在塑料表面。而塑料的表面是油质的,具有排水性,也就是说水无法在上面附着。“要粘在这样的表面上需要一些技术。”所有细菌都通过鞭毛
———细小的触角———来探测某个表面是否适合附着,然后它们抛出纤维进行初步捆绑,最后它们分泌蛋白质和多糖将自己牢牢地粘上去。但科学家在塑料生态圈中发现的一些微生物只需要5分钟就能让自己牢固附着在塑料表面。明赛说,这显然说明“它们认识塑料,知道这就是它们需要的东西”。  这个研究小组正在寻找造就了细菌这种超级殖民行为的基因。明赛说,现在最主要的问题是:“塑料上生活的有机体是否经历了特殊的选择事件,迫使它们发生变异进化?”  通过研究这些细菌如何进化出附着在塑料垃圾上的能力,科学家或许可以找到一种方法逆转人造的灾难。由于无法杜绝人类向海洋扔塑料垃圾,科学家们决定另辟蹊径:明赛说,如果他们能够识别“合适的微生物用于帮助塑料自然降级”,制造商就可以在塑料中添加吸引细菌的材料。换句话说,我们可以改造塑料,引诱微生物以我们的垃圾为食,帮助人类清理海洋垃圾。  显然,人类并非善待地球的物种。但海洋的强韧超出想象,即使我们向它抛弃了不计其数的塑料垃圾,生命依然会找到生存下去的方法。
(来自:中国聚合物网)

研究人员找到了一种可以将塑料消解、回到构成它的基础化学物质的酶,这一发现或许能够解决令人头疼的塑料垃圾泛滥的问题。

美国马萨诸塞州森林洞穴海洋研究院科学家日前表示,他们首次在海洋中发现能消化塑料垃圾的微生物,并提出了他们的新忧虑:塑料中的有毒物质有可能被引入海洋食物链中。

塑料无处不在,即使在那些你可能想不到的东西上也有塑料存在。每当这些物品被扔掉或被冲到水槽里时,污染物就有更多的机会进入环境并造成伤害。2017年有研究结果称,每年有八百多万吨塑料被倾倒入世界海洋,人们对这种石油衍生产品对人类健康和环境的有毒遗产的担忧日益加剧。

海洋中有大量塑料,大部分都漂浮在水面下。在电子显微镜下,每片塑料都是一片绿洲或一块充满生物的暗礁。WHOI海洋微生物学家特雷西闵瑟和同事对北大西洋马尾藻海的塑料垃圾进行了研究,目前那里垃圾成堆,有超过1100吨塑料。

长期以来,塑料制品的生产都被认为是单向运行的。最近英国朴次斯大学和美国能源部国家可再生能源实验室的研究人员意外地找到了解决这个问题的方法,他们创造了一种让塑料生产过程可逆的酶,这种酶可以将塑料消解,回到构成它的基础化学物质,这一发现可以改善塑料垃圾的回收和利用问题。

他们捞出来一些钓鱼线、塑料袋和塑料结在电子显微镜下观察,发现有类似细菌的细胞生活在这些塑料表面的小坑里,好像它们正在吞噬着塑料。
它们陷在塑料里,就像炽热的煤炭扔在雪地上。
闵瑟说,虽然以前在垃圾填埋场也发现过能消化塑料的微生物,但在海上发现能分解塑料的微生物还是首次。这也有助于解释为何污染持续不断,海洋垃圾数量却能保持平衡。

意外发现的酶

在基础科学研究中,机缘巧合常常扮演着重要的角色。

2016年日本科学家发现Ideonella
sakaiensis这种新的细菌可以显示出以纤维塑料为食物的能力,它们能够分解一种被称为PET降解酶的蛋白质来降解PET(PET是聚对苯二甲酸乙二醇酯,这种塑料占世界上聚合物总产量的18%,是食品和饮料行业最流行的一种塑料形式,仅次于聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯)。自从塑料在20世纪60年代流行起来后,巨大的塑料垃圾就会被发现漂浮在海洋中,或者被冲到世界上曾经的原始海滩上。由于塑料在过去的80年里才存在,所以Ideonella
sakaiensis被认为在最近几年进化出了消化塑料的能力。

英国朴次斯大学和美国能源部国家可再生能源实验室的科学家们将研究目标锁定在这种可以降解塑料的细菌上,使用一种名为X射线衍射的技术来捕捉PETase
3D结构的细节。他们的本意是通过计算细菌的结构来了解PETase酶的工作方式,但鬼使神差地向前多走了一步,最终意外地设计了一种功能更强大的酶(升级版的PETase酶),使它能够更好地分解PET塑料,研究结果发表于《美国科学院院报》上。

两国科学家得到了PETase酶的X射线晶体结构,揭示了角质酶和脂肪酶共有的特征。角质酶是一种在真菌和细菌中发现的酶,可以降解特定的塑料。与角质酶不同的是,PETase不仅保留了“祖先”的α/β-水解酶的褶皱,同时也表现出比同源的角质酶更开放的活性位点。研究人员猜测活性位点的存在或许就是升级版PETase酶降解塑料能力大增的原因所在。为了验证这一想法,他们使PETase的活性位点发生突变,让它更像“角质酶”,结果证实,实验室制造的突变体具有超强的能力,可以分解PET,并将它转化为最初的化学物质。额外的蛋白质工程提高了PETase的性能,使得这种突变酶甚至比天然PETase酶的效果还要好。

在自然界中,酶通过分解现有的化学物质来改变它们。通常酶的存在会创造新的物质,不过它们有时也可以逆向还原成原先的化学成分。研究人员说,他们现在正致力于进一步改进这种酶,希望最终能将其扩大到工业用途,以分解塑料。尽管这种改进是适度的,但这个意外的发现表明,科学家还有进一步改进这些酶的空间。科学家们希望,这种吃塑料的工程酶可以引发一场循环革命。

食塑者的队伍

土葬、火葬、海葬是塑料垃圾的常见的处理方式,但都会给环境带来污染和负担。塑料制品和塑料废料是同一枚硬币的两面,在产品设计阶段就应该兼顾回收的问题。2012年,哈佛大学教授大卫·爱德华兹(David
Edwards)利用藻类和钙的混合物,模拟食物的自然包装状态,给食物配备一个可以食用或者降解的外包装。
2016年,印度的Narayana
Peesapati利用大米粉、小麦粉和高粱粉制作了一种可食用的勺子,以期降低塑料餐勺的使用。

除了源头控制,对于已经生产出来的塑料进行生物降解,也是努力的方向之一。

早在2015年,北京航空航天大学杨军教授研究组、深圳华大基因公司赵姣博士等在《环境科学技术》(Environmental
Science &
Technology)上合作发表了两篇姊妹研究论文,称他们发现了黄粉虫的幼虫可以降解聚乙烯类塑料。数据结果显示,黄粉虫以聚苯乙烯泡沫塑料为唯一食物来源,塑料在黄粉虫肠道快速生物降解,可以存活1个月以上,并最终发育成成虫。2016年,日本科学家在《科学》发文解释,他们在分子层面上对塑料的分解进行研究后发现了食用塑料纤维的细菌Ideonella
sakaiensis。这种细菌可以附着在PET塑料上“茁壮成长”,将PET作为其主要的碳源和能量来源。研究人员推测,只要将温度控制在30℃,这种细菌就能利用6周时间分解一片PET薄膜。

2017年法国科学家发现了一种爱吃塑料的毛毛虫——蜡虫。研究人员将几百只蜡虫放在一个超市塑料袋的上面,不到40分钟的时间,窟窿开始出现在塑料袋上,12小时之后,蜡虫吃掉了92毫克塑料,后续的测试证实,蜡虫可以完全消化“塑料餐”。而此次英国朴次斯大学和美国能源部国家可再生能源实验室的科学家们发现的可以降解塑料的酶,是在Ideonella
sakaiensis食塑细菌上开发出的,他们升级了该细菌内部降解塑料的酶,壮大了食塑者的队伍。

塑料失踪之谜

2017年7月,一项发表在《科学进展》(Science
Advances)的研究论文称,20世纪50年代初以来,人类已经生产了83亿吨塑料制品,其中约63亿吨已成为塑料垃圾。在这63亿吨塑料垃圾中,9%被回收利用,12%被焚烧,79%进入垃圾填埋场或者自然环境中。研究人员预测,如果按照目前的产量和废物管理模式发展下去,预计到2050年会产生120亿吨塑料垃圾。

通常情况下,就像一次性咖啡杯、饮料瓶、糖果包装纸和其他塑料包装一样,这都是在短暂的一次性“放纵”之后发生的。如果这些东西最终被扔到海里,它就会被冲到远处的海滩上,这或许会让一只海豹窒息。而暴露在盐水和紫外线下的塑料,又可以分解成微小的塑料小块,进入鱼类肚子,自此开始了一段短暂的餐盘之旅。2016年一篇发表在《科学》上的研究论文中提到,微塑料会影响鱼群的生态种群,同时也间接说明,受到微塑料污染的鱼类很有可能会被搬上人类餐桌。2017年5月,一篇发表在《科学报告》(Scientific
Reports)上的研究论文称,海洋中的塑料污染不仅直接进入鱼类体内,同时也进入人类食用的海盐中。

2016年发布的一份报告显示,到2050年,除非世界采取激烈的行动来加强塑料的进一步循环利用,否则世界海洋中塑料垃圾的数量将超过鱼类。

但也有研究人员开始注意到,在一些研究中,“记录在册”的塑料本应随着时间的推移而增加,但测量结果和计算模拟得到的数据却显示事实并非如此,甚至有调查发现海洋中塑料的数量远远低于预期。例如,2017年5月,一篇发表在《生态和环境前沿》(Frontiers
in Ecology and the
Environment)上的文章就称,海洋中有部分塑料“失踪”了,在深入研究之后,研究人员发现,海洋中“消失”的塑料并非是任何认真回收工作的结果,微塑料碎片与海洋生物之间的相互作用可能在重新分配海洋中的塑料方面发挥重要作用。科学家给出了几种海洋丢失塑料可能的解释。其一,可能是海洋中的某些微生物进化出了降解塑料的能力。研究发现,依附在漂浮塑料上的微生物与周围水域的微生物略有不同,这或许表明一些微生物正在以污染物为食,塑料正在创造一个全新的生态系统,有科学家称之为“塑料生态圈”。

另外一种解释则是,殖民生物增加了塑料的重量,所以部分漂浮的塑料有可能只是沉入海底或者分解成更微小的碎片,以至于它不会被研究船的渔网捕获。它也可能被生物体吞噬,或者被洋流带到意想不到的地方。

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