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塑料的主要成分仍然是碳,为何早期无法被微生物分解?(揭秘塑料分解之谜)

好文分享2023-12-06 04:30:02
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不是那样。分解人工塑料的能力很常见:

  • 假单胞菌属、埃希氏菌属、芽孢杆菌属的多种细菌在实验室和垃圾场分解塑料,尤其是传统认为难降解的聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯乙烯[1]
  • 黄粉虫可以食用聚苯乙烯,其肠道微生物包括可以分解聚苯乙烯的微小杆菌 YT2,实验证明以聚苯乙烯泡沫塑料作为唯一碳源的 3 到 4 龄黄粉虫幼虫可以存活并发育为成虫[2] [3]
  • 印度谷螟幼虫、船蛆等多种动物可以食用聚乙烯,其肠道微生物包括可以分解聚乙烯的一些肠杆菌和一些芽孢杆菌等。
  • 还有上百万种昆虫与软体动物、至少一万亿种细菌等着你去做实验。
  • 不限于细菌,一些木腐真菌现在就能分解低密度聚乙烯塑料[4],曲霉属亦有这样的真菌,包括几个品种的青霉菌。我们还没对它们专门进行改造与定向选育。

在人类诞生前,自然界就有产生聚羟基烷酸酯塑料的细菌。现在,包括人在内的许多生物可以分解这类塑料。

1925 年,法国巴斯德研究所的微生物学家 Maurice Lemoigne 从巨大芽孢杆菌中分离出聚羟基丁酸酯。这种塑料无毒、不溶于水、允许氧气通过,聚 4- 羟基丁酸酯做成的手术缝合线、医用薄膜、医用织物等可以被人体吸收[5][6]。重组发酵或转入细菌基因的转基因植物可以量产聚羟基丁酸酯。

塑料的主要成分仍然是碳,为何早期无法被微生物分解?(揭秘塑料分解之谜)
By Armonia48 – Own work, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=84590096

本题目下的若干评论展示了一些对进化论的经典误解,看起来提问者还被那些评论误导:

  • 以为“人工合成的塑料比生物合成的物质更难利用”。
  • 以为“生物会优先利用容易利用的物质”。
  • 以为“先有塑料,才能有吃塑料的生物”。

没有人工塑料,也能演化出可以吃人工塑料的生物。那些生物自己都不知道自己能吃人工塑料,直到人工塑料诞生在世上并和它们相遇。

许多生物产生的若干催化剂和代谢过程的一些反应产物可作用于此前从未见过的物体。

即使不接触能分解塑料的生物,塑料也会在太阳辐射、冷热循环、风吹雨打等影响下逐渐分解。实验与线性外推显示,不同塑料品种降解的半衰期(指未降解的部分质量减半)从 58 年(塑料瓶)到 1200 年(聚合物管道)不等[7]。你不觉得动物骨骼、硅藻外壳之类经常有更长的半衰期吗?

图为高密度聚乙烯在质量、密度、比表面降解率相同但形状不同(薄膜、纤维、珠子)的条件下的预计降解曲线,虚线是假定表面积不变的模型,实线是假定半径和表面积随时间减少的模型:

塑料的主要成分仍然是碳,为何早期无法被微生物分解?(揭秘塑料分解之谜)
ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 9, 3494-3511

此外,号称“永久化学物质”的全氟和多氟烷基物质(PFAS)亦可被多种细菌分解,例如 Desulfovibrio aminophilusSporomusa sphaeroides 可以分解包含碳氯键的 PFAS[8]


你可以据此质疑“植物搞出纤维素、木质素后,木腐真菌出现前,大量植物尸体堆积下来形成了煤炭等化石燃料”的假说。

木质素在太阳光照下可以逐渐转变为更容易分解的形式[9]。在当前自然界,大量死树被并未特化的细菌缓慢分解[10]。历史上,分解木质素的细菌很可能在石炭纪前就出现了。更多证据显示,煤炭的形成率与木腐真菌的出现无关[11]

2020 年,新的地球化学模型提出,二叠纪陆生植食性动物的发展可能减少了陆地生态系统朝海洋输送的有机物,海底储存的有机碳徐徐减少,大气氧含量随之下降(Laakso 等, 2020)。当时能产生较大贡献的主要是昆虫,因为二叠纪植食性羊膜动物可以通过发酵消化纤维素但不能像现存植食性脊椎动物那样消化木质素(Pearson 等,2013 年)。相比之下,二叠纪甲虫可能已经演化出与各种微生物的密切相互作用,尤其是分解木质素的真菌 (Nelsen 等,2016 年),二叠纪的一些氧浓度下降事件与化石记录中食木甲虫的起源和演化辐射看起来有关。

在二叠纪 – 三叠纪灭绝事件中,许多植食性昆虫可能在森林大面积死亡时陪葬式地灭绝,陆生植物整体的多样性和其他昆虫受到的影响小得多[12][13]


顺便说,题目对“主要是碳”的表述没有致命问题。Potter 于 1908 年发现了能氧化无定形碳的细菌[14]

2014 年,Szczesna-Antczak 等发现真菌可以氧化类金刚石碳膜,让碳涂层劣化[15]

2015 年,我国研究人员发现一种降解萘的细菌可氧化石墨和石墨烯[16]

已经知道 3 种以上能分解多壁碳纳米管的细菌[17]和 3 种以上能分解单壁碳纳米管的真菌[18]

炭黑、煤炭经常在地层被细菌部分分解。

读者有兴趣的话,或许可以试试拿这些生物分解人造金刚石,也许能发个 Science

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