科普 | 虫子是如何“吃掉”塑料的？
科普 | 虫子是如何“吃掉”塑料的？
cip1953
做有温度的知识传播者。
关键词 | 稳定同位素 科普
共 2661 字 | 建议阅读时间 8 分钟
人类活动对于自然界的影响急剧增加，出现了不少全球性的环境问题。采用稳定同位素技术，如 同位素自然丰度法或稳定同位素示踪法 可追踪污染源的迁移与转化过程，因此已被广泛应用于环境污染物的溯源与示踪研究中。
今天小帮就带大家一起来看看，在同位素示踪的指引下，虫子是如何“吃掉”塑料的。
“白色污染”主要包括塑料袋、塑料包装、一次性塑料快餐盒、塑料餐具杯盘以及电器充填发泡填塞物等。
由于塑料使用引出的环境问题日趋严峻，英国的《卫报》把塑料袋评选为20世纪最糟糕的发明，在过去的50年里塑料的产量在全球已经增加了20倍，在环境中留下了70亿吨的塑料袋垃圾，甚至在一万多米深的马里亚纳海沟都发现了塑料粒子，而塑料在自然界的降解需要500年以上！
塑料污染正严重威胁着生态和海洋环境。面对日益严重的白色污染问题，科学家希望寻找一种“零污染”的塑料降解方法。
2017 年，来自北京航空航天大学和美国斯坦福大学的科学家发现了能够啃食塑料的黄粉虫，这一研究成果被多家媒体进行了报道，并被评为“这一发现是革命性的，是过去十年环境科学领域最大的突破之一”。
能够啃食塑料的黄粉虫 ↓
黄粉虫又名面包虫，是一种仓库害虫，原产于北美洲，现已被人工大量饲养用作动物饲料或者提取化工原料。实验表明， 产自中国和美国的黄粉虫幼虫都啮食塑料，仅仅靠啮食泡沫塑料能存活一个月以上。
那么， 物理化学结构如此稳定的塑料是如何被虫子降解转化的呢？ 通过碳质量平衡可以推测塑料（聚苯乙烯）有一半都转化为了二氧化碳和虫子的机体，怎么更加科学地证实这个推测呢？
科学家采用了 生物化学机理研究的“金标准”——同位素示踪法 ，分别 用 13 C标记 的聚苯乙烯和麦麸喂食不同组别的黄粉虫。用聚苯乙烯泡沫塑料作为唯一食物的幼虫，与那些喂以正常食物（麦麸）的虫子过了1个月后，健康情况一样，最后发育成甲壳成虫。
▲ 图 13 C-聚苯乙烯降解过程示意图
<点击可查看大图>
黄粉虫在泡沫上吃出了一个一个洞。塑料经过虫子的肠道消解后，化学结构和组成发生变化。通过采用凝胶渗透色谱（GPC）、 13 C的核磁共振光谱、热重傅里叶变换红外光谱等检测， 证实了幼虫肠道中聚苯乙烯长链分子断裂形成代谢产物随着粪便排出。
最终研究结果显示，黄粉虫幼虫将聚苯乙烯泡沫塑料作为唯一食物来源时其寿命可达一个月以上，其食入的聚苯乙烯可被完全降解矿化为二氧化碳或者同化为虫子的机体。 该研究充分证明了黄粉虫幼虫可降解聚苯乙烯，为解决塑料污染问题提供了新思路。
虽然 13 C标记的聚苯乙烯非常昂贵，比黄金要贵几十倍 ，但是在证实这一推测的研究过程中，稳定同位素示踪剂发挥的作用是不可替代的， 稳定同位素示踪法是科学研究中必不可少的环节。
稳定同位素的多元应用
利用稳定同位素的物理化学性质与普通元素几乎相同的性质，可以制备出的 各种稳定同位素标记试剂 ，应用于农业、水文地质、地球化学、生态环境、生物医学、分析检测等诸多科学领域。
近年来，在新兴的基因工程、蛋白质组学、代谢组学和代谢工程等前沿领域，稳定同位素示踪也已成为一种应用广泛、独特高效甚至必不可少的技术。
# 农业领域
稳定同位素最早应用在农业科研领域。
稳定同位素 15 N在农业科学中的应用研究十分广泛，包括合理施用化肥、提高氮肥效率、改良品种、作物营养代谢、生物固氮、饲料配方、植物药材等。
▲ 同位素示踪法简单直接，试验条件均在施肥的状态下，更接近自然环境下植物生长的发育状态，从而可以真实反映植物对肥料的吸收和利用等情况。
# 水文地质领域/地球化学领域
环境中的 2 H、 18 O 同位素可以用来有效地指示水循环，如水的源头、年龄、补给、渗漏、地下水停留的时间等，从而为认知水的形成、运动及成分变化机制提供重要的依据，为合理利用水资源奠定基础。
相应地，它所能做出的贡献也不仅仅是限于地表水领域，还包括地下以及地热水等普遍的水循环和水资源。
我们可以利用该规律来追溯各圈层之间物质的起源和相互作用。例如，用氧、碳同位素示踪古代气候和古代环境的变迁，用碳、氢、氧、硫同位素组成的变化进行地层的对比。
# 生态环境领域
21世纪初，稳定同位素氢-2（ 2 H或D）在示踪动物食物信息、分析食物链结构以及研究动物迁徙生态学中起到举足轻重的作用。
近年来，动物生态学家们还将稳定同位素技术应用到动- 植物相互关系研究中。
# 生物医学领域
稳定同位素产品目前已广泛应用于生物医学领域的临床研究、疾病的诊断与鉴别、病情分期、治疗效果评估和新药开发等领域。
▲ 胃幽门螺旋杆菌检测流程
▲ 125 I 粒子植入术治疗癌症
# 能量代谢领域
双标记水法（doubly labeled water，DLW）是一种经典的精确测量能量消耗的方法。
在国际原子能机构发布的“国际原子能机构人体健康系列第三部分”中指出，双标记水法是准确测量一个人在正常的日常生活条件下每天消耗能量的唯一办法。目前，该方法已广泛应用到特定人群的能量消耗测量中，如航天员在航天飞行过程中的能量消耗数据、授乳母亲在哺乳期的能量消耗等。通过这一方法测得的能量消耗数据，对人体健康状态的检测、食物的准确配给有重要的指导意义。
# 分析检测领域
近年来，稳定同位素检测技术在生态环境、食品安全、司法检验等领域的环境监测、农兽药残留检测、食品非法添加剂检测、兴奋剂检测及毒品检测等应用中飞速发展，发挥着不可替代的作用。
国际上利用稳定同位素检测技术对植物源产品，如葡萄酒、饮料的地域溯源进行研究；对动物源产品，如乳品、肉的溯源研究也日益增加。体育竞赛中通过对尿液中的13C 的检测来判别运动员是否服用了兴奋剂。利用稳定同位素检测技术还可以快速识别毒品、炸药、伪钞的产地和来源。
不仅仅是以上列举到的这些，在地质、医学、营养学、生命科学、食品安全、现代农业、生态环境等领域都有稳定同位素技术的身影。
稳定同位素因为无放射性、元素的化学性质基本相同而被用作示踪原子帮助人们认识未知世界的科学规律。
一个多世纪以来，稳定同位素的应用也是随着仪器的发展而在广度和深度方面不断拓展，在许多科研与生产领域发挥着越来越多、甚至是不可替代的重要作用。
同时，我们也希望能有越来越多的人，能够走进稳定同位素这个神奇的领域，消除人们对稳定同位素的恐惧感，了解到稳定同位素的基本知识以及稳定同位素的广泛应用。
《神奇的稳定同位素》
化学工业出版社 2021.09
一本书 带你了解稳定同位素的神奇世界：
• 什么是稳定同位素，稳定同位素与放射性同位素的差异，以及稳定同位素的发现、获取和检测方法
• 稳定同位素在 医学诊断与治疗、食品安全检测、生态环境、核工业、科技前沿以及宇宙探测等 领域中的应用
本书从科普的角度介绍了稳定同位素基本知识，带领读者走进稳定同位素这个神奇的领域。
《 神奇的稳定同位素 》
图书信息简介
中国化工学会、上海化工研究院有限公司 组织编写
书号:978-7-122-38832-2
出版时间:2021-09
定价:98.00
▲ 长按识别 即可优惠购买本书
通过阅读此书，可以增长稳定同位素科学技术知识，了解稳定同位素科学技术应用。本书适合广大青少年及喜爱核科学技术的人们阅读。
目录预览
第一章 大自然中的稳定同位素 001 第一节 原子家族的孪生兄弟 002 1.了解微观世界 002 2. 认识元素周期表 003 3. 同位素的发现 005 第二节 同位素的“变”与“不变” 007 1. 放射性同位素——超级变变变 007 2. 稳定同位素——亘古不变 010 第三节 稳定同位素的获取离不开化学工程 015 1. 稳定同位素的获取途径 015 2. 从原料到产品的进阶 020 第四节 稳定同位素检测技术——识别稳定同位素的眼睛 022 1. 质谱仪 023 2. 核磁共振谱仪 025 3. 红外光谱仪 025 第二章 生命健康的守护神 027 第一节 幽门螺旋杆菌的“侦察兵” 028 1. 现有诊断方法比较 028 2. 能力超强的“侦察兵”——13C-尿素 028 3. 13C-呼气检测临床研究新应用 030 第二节 疾病早期诊断——明察秋毫 030 1. 疾病诊断的火眼金睛——PET/CT 031 2. 18F-FDG从何而来 034 第三节 癌症治疗新利器 035 1. 氙同位素用于甲状腺癌治疗 035 2. 硼同位素用于治疗肿瘤 036 第四节 遗传病快速筛查及营养代谢的“量身定制” 039 1. 新生儿遗传代谢病筛查 039 2. 营养代谢的“量身定制” 042 第五节 神奇的低氘水 043 1. 水中贵族——低氘水 043 2. 低氘水的功效 046 第六节 测量人体健康与营养的“精准工具” 048 1. 利用稳定同位素示踪技术测量身体成分 049 2. 稳定同位素技术用于测量能量消耗 050 3. 评估人体中维生素A的状况 052 4. 测量人体氨基酸需求量 052 参考文献 054 第三章 食品安全的守护者 055 第一节 从吃得饱到吃得安全 056 1. 农兽药残留超标的检测 057 2. 非法及滥用添加剂的检测 061 3.“揪出”食品中隐藏的生物毒素 065 第二节 从吃得安全到吃得健康 068 1. 食物过敏原检测的利器 068 2. 食用油脂中有害物质的辨别 071 3. 食物中挥发性风味物质的检测 073 第三节 从吃得好到吃得真 073 1. 辨识真假的“火眼金睛” 074 2. 巧辨有机食品 075 3. 敢问高端美食何处来 077 4. 矿泉水水源产地大揭秘 078 参考文献 080 第四章 生态环境的护航舰 081 第一节 物质循环的“指纹标签” 082 1. 自然界的物质循环 082 2. 物质循环的“指纹标签”——同位素 085 第二节 植物体生长的“记录器” 087 1. 同位素与光合作用 087 2. 植物生长的“印迹” 089 第三节 精准施肥的“指示剂” 091 1.“功德无量”的化肥 091 2. 化肥施用多多益善？ 091 3. 如何做到精准施肥？ 092 第四节 生态研究的“好帮手” 096 1. 探究光合作用后的代谢过程 096 2. 跟踪稻田土壤中的反硝化作用 097 3. 探寻环境中硫的来源 097 第五节 环境污染物的溯源与降解 099 1. 大气中氮氧化物从哪里来 099 2. 虫子是如何“吃掉”塑料的 101 3. 污染物是怎么被降解的 103 第六节 水文地质研究中的稳定同位素 104 1.“拨云见山”的同位素水文地质学 105 2. 地下水的来源推断 106 3. 神奇的地质温度计 108 4. 预测隧道突水风险 108 参考文献 110 第五章 核能利用的关键材料 111 第一节 重水是核能利用的“调速器” 112 1. 第二次世界大战中的重水之战 112 2. 重水是核反应的中子减速剂 113 3. 重水是如何生产的 117 4. 重水与中国的核电之路 118 第二节 硼同位素是核反应的“控制棒” 119 1. 控制棒的核心原料——硼-10 119 2. 硼-11的妙用 120 第三节 稳定同位素为核聚变提供充足的“燃料” 121 1. 什么是核聚变 121 2. 核聚变燃料的提取 123 3. 无中子的核聚变 125 第四节 OLED材料 126 第五节 其他核能材料 128 1. 更快更强的硅-28半导体 128 2. 分毫不差的同位素原子钟 130 参考文献 132 第六章 探索未知世界 133 第一节 化学反应机理研究 134 1. 酯化反应的机理 135 2. 碳资源循环利用的机理 135 3. 百年难题“人工固氮”的机理 136 第二节 新药开发 137 1.“药半功倍”的氘代药物 137 2. 药物毒性的检测 141 3. 药代动力学研究 142 第三节 超极化磁共振人体成像 144 1. 氙-129超极化探针诊断肺癌 144 2. 碳-13超极化探针 148 第四节 毒品侦察 150 1. 毒品检验的常用分析方法 151 2. 痕量毒品鉴定的“新武器” 152 3. 毒品溯源推断的“利器” 153 4. 兴奋剂检测 155 第五节 导航定位 156 1. 激光陀螺是怎么工作的 157 2. 激光陀螺的应用 158 3. 核磁共振陀螺仪 160 第六节 宇宙探测 161 1. 暗物质探测 161 2. 无中微子双β衰变探测 164 3. 引力波探测 167参考文献 168
<上下滑动预览全部目录>
一本书带你了解稳定同位素的神奇世界
适合青少年的理科知识科普书
老师也可参考阅读
▲长按识别 即可优惠购买本书
来源 | 《神奇的稳定同位素》
点击 阅读原文 进入官方商城，购书8.5折优惠哦~