深度分析：自然界存在“塑”食动物吗？
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最近发现家里的猫咪非常喜欢吃塑料。只要见到塑料袋和塑料泡沫就咬，开始以为是磨牙，但逐渐发现给其它磨牙的东西都不要，而有些被它咬过的塑料袋会有缺失。是“嘟嘟”真的吃了塑料袋了吗？猫能以塑料为食吗？
01
自然界的昆虫能以塑料为食！
我国研究人员曾经以聚苯乙烯（PS）作为食物喂养黄粉虫。将1500条黄粉虫均分成三组，进行为期30天的实验。一组仅喂食PS的泡沫塑料；另两组作为对照组，一组提供它们最喜欢的麦麸，另一组不提供食物。结果发现，分别单独喂食泡沫塑料和麦麸的两组存活率没有显著差异。收集了吃过麦麸和泡沫塑料的虫粪，并用凝胶渗透色谱（GPC）证明聚苯乙烯的分子量降低了，热量也降低了，说明塑料被黄粉虫消化（降解），并转化成自身的能量供其生长。
除了黄粉虫外，也有研究观察到大麦虫能够摄入并介导PS的降解。为了比较大麦虫和粉虫之间PS摄入量的变化，作者分别测量了与这两种昆虫孵育21天后PS重量的变化。在21天内，大麦虫消耗了约1.42g，而粉虫只消耗了0.22g，其中大约有90%的粉虫和大麦虫存活。为证实PS发生生物降解，作者对粉虫和大麦虫的排泄物进行了热重分析和傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析。这些结果证实，大麦虫和粉虫摄取的PS通过其消化系统发生了生物降解。
目前，研究已证实有几种昆虫可降解塑料聚合物，如超级蠕虫，印度餐蛾，大蜡螟，肉虫幼虫，小蜡虫等。此外，一些群居昆虫，如白蚁，也表现出类似的能力。
02
实验证明昆虫肠道的塑料被微生物降解
这种对于塑料聚合物的显著降解活性通常归因于它们体内的肠道微生物共生体。有报道称，在白蚁肠道中共生生活的微生物菌群可为其宿主提供实质性的利益。在此基础上，有研究报道了小籽粒螟、水稻象鼻虫和烟甲虫对双轴定向聚丙烯(BOPP)、低密度聚乙烯(LDPE)和聚酯多层薄膜的降解活性。
为了探究昆虫肠道微生物菌群中的菌株是否能够降解塑料？研究人员以聚乙烯为唯一碳源，通过60天富集从黄粉虫肠道内分离培育出8种微生物菌株，最终通过抗拉强度试验选择了两种降解能力最强的菌种：阿氏肠杆菌和芽孢杆菌。实验证明，这两种菌株的确靠塑料薄膜“活了下来”。它们在含聚乙烯的薄膜上稳定增长，并具有较强的活性，可以腐蚀掉聚乙烯膜的表面。此外，从大蜡螟（Galleria mellonella）肠道中分离出能够降解聚乙烯的真菌黄曲霉。它能够在28天内降解高密度聚乙烯（HDPE），降低其分子量；通过傅里叶变换红外光谱检测到羰基和醚基的产生，进一步证明了PE的降解。
土壤环境作为微生物资源最丰富的生境之一，研究人员从蚯蚓肠道中分离出的细菌能够将土壤中的低密度聚乙烯（LDPE）降解。经鉴定，这些细菌都是革兰氏阳性菌，属于放线菌门或者厚壁菌门。降解21天后，土壤中的LDPE微塑料（一般指直径小于5毫米的塑料）粒径分布明显降低，出现大量更小的塑料颗粒。同时，研究人员还检测到几种挥发性化合物，如十八烷、二十烷、二十二烷和二十三烷等。它们是LDPE进一步降解分子链断裂的产物。这些微生物的发现对于塑料污染土壤的修复具有重要意义。
以上研究证明昆虫降解塑料的原因是肠道微生物！
03
微生物又是如何降解塑料的呢？
2016年在日本的一处塑料回收场，分离出了一株能够以聚对苯二甲酸乙二酯 (polyethylene terephthalate，PET) 为唯一碳源的细菌 Ideonella sakaiensis 201-F6，这株细菌中的PET降解系统由数个酶组成，分析证实这些都不是全新的酶种，而是衍生自古老的酶反应机制：植物生物质降解酶。同时类似的酶有很多（图1）。蛋白质结构分析显示了几个关键的位点突变与结合底物有关，这个发现说明了微生物对于塑料的出现采取了快速应变措施，使用现有酶种并引入一些突变，以改变活性区的特征。
图1：塑料降解酶PETase的进化树分析
虽然我们仍然没有从肠道微生物中发现明确的塑料降解酶，但是许多证据表明肠道微生物可以定植在塑料表面，并引起塑料结构的变化。研究人员从大麦虫肠道中分离得到一株能够降解PS的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa）。作者通过PS与假单胞菌培养，用电子显微镜测量PS表面的原子组成和与水滴接触角，确定了PS表面发生了从疏水性到亲水性的化学变化。之后用X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振(NMR)进一步研究了PS表面化学结构的变化，证实了在PS生物降解过程羰基（C=O）的形成。
04
其他动物也可以吃（降解）塑料吗？
除了昆虫以外，科学家也在一些别的小动物中发现了塑料变成碎片甚至解聚的证据，但他们的降解机制与昆虫的略有区别。淡水甲壳类动物氏钩虾（Gammarus duebeni）可以迅速使聚乙烯塑料破碎，从而形成形状和大小不同的塑料碎片，且这些碎片占在消化道中积累的所有可观察的微颗粒的65.7％。暴露时间更长和/或微塑料浓度更高时，虾的消化道中的碎片会更多。
土壤软体动物蜗牛（Achatina fulica）是牙齿最多的动物，它们用带状结构的齿舌碾碎食物，以便消化。研究发现蜗牛对于膨胀聚苯乙烯（EPS）泡沫具有摄食和生物降解能力。经过4周的实验，每只蜗牛摄入18.5±2.9mg聚苯乙烯（PS），并在粪便中检测到微塑料的形成，PS平均质量损失30.7%。凝胶渗透色谱（GPC）分析表明，粪便残留PS的重均分子量和数均分子量显著增加，表明PS在一定程度上发生了解聚。傅里叶变换红外光谱和质子核磁共振证实了新官能团和氧化中间体的形成。
然而，用土霉素抑制肠道微生物不会影响解聚反应，这表明蜗牛对PS的解聚不依赖于肠道菌群。高通量测序分析表明，蜗牛摄入PS后，肠道微生物组成发生了显著变化，肠杆菌科和鞘脂杆菌科菌群增加，表明肠道微生物组成可能与PS生物降解有关，但不能确定这些微生物降解塑料。可见氏钩虾和蜗牛可能通过将塑料磨成碎片及微塑料，再通过酶促反应对这些微塑料进行一定程度的降解消化。
因此，昆虫及其他一些小动物会吃掉一些塑料碎片。可能存在降解，但是塑料降解的效率很低，只能提供有限的碳源，这些能量难以维持大型动物的生长。而且大型动物很难将塑料垃圾咀嚼成小碎片甚至微塑料，这进一步增加了降解消化的难度。一旦吃下较大的塑料垃圾，他们会在动物消化道中长期堆积，危害动物们的生存。
当塑料污染的速度超过自然或人为清除的速度时，塑料就会在环境中累积。塑料在自然环境中降解需要数十甚至数百年，同时在许多地区也难以进行人为清理。因此，塑料是一类典型的不可逆环境污染物，由此造成的生态环境危害也难以轻易扭转，这将成为我们未来长期面临的重要全球性环境问题。
05
动物特别是海洋动物“喜欢”吃塑料
不幸的是，动物们好像并不能意识到他们不能消化塑料。你可以想象吗？成年信天翁飞来穿越数千公里分享给孩子们的食物是什么？不是鱼，也不是乌贼等软体动物，它找到了另一种“美食”——塑料。其实，信天翁并不孤单，它并不是世界上唯一一个每天都在吃塑料的生物（图2）。许多鱼虾和信天翁一样，都吃塑料。2019 年 3 月，意大利撒丁岛，一只死去的抹香鲸体内发现了 44 斤塑料垃圾。2019 年 4 月，日本奈良，在一头鹿的尸体中发现了大量塑料垃圾块，最大的重达 3.2 公斤。
跟陆地动物相比，海洋动物对塑料更为“青睐”。最近的一项分析列出了 914 种海洋巨型动物物种（包括 226 种海鸟、86 种海洋哺乳动物、所有海龟和 430 种鱼类）通过塑料的缠结和/或摄入受到影响（图2，Science, 2021, 07）。对于濒临灭绝的物种，只需要几次遭遇就可以威胁到种群水平的后果。国际自然保护联盟红色名录中的 693 种物种中，塑料的缠绕和摄入危险占 17%。在地中海东北部，濒危僧海豹（Morwchus morwchus，总共 600 至 700 只）与渔具的纠缠被确定为仅次于故意杀人案件。
图2：动物摄入塑料的全球评估
那么为什么塑料碎片会变成海洋动物眼中的“美食”呢？那是因为人类是视觉动物，但包括信天翁在内的很多海洋动物，它们觅食时主要依赖嗅觉。据发表在2016年11月9日的《科学进展》杂志上的一篇研究，那些被我们丢在水边的塑料制品，随着海浪被分解成碎片，再长上藻类。当藻类自然分解或被磷虾吃掉后，会释放二甲基硫醚（DMS）也就是我们常说的海腥味。跟随气味寻找磷虾的海鸟就被带到了一个“嗅觉陷阱”，将沾满DMS味道的塑料片当作鱼虾带走了，殊不知吃进肚子的只是毫无营养的人类垃圾。
06
所有动物都吃（喝）了微塑料
现在，塑料垃圾无处不在，但这些看的见的污染物并不是危害的全部，更大的危害藏在看不见的地方。未被回收的塑料会随着日照、风化等影响慢慢降解成纤维，塑料碎片和微塑料，出现在地球的每个角落。根据监测，无论是在地球的南极、北极，还是青藏高原；无论是陆地、岛屿，还是在最深的马里亚纳海沟底部，都有塑料微粒的身影。这些微塑料由于体积非常小，直径仅有毫米级别，所以更容易被鸟类、鱼类、虾类所进食，就连南极洲的企鹅，超过三分之二的体内都有塑料微粒。动物吃掉的微塑料总量已经高于容易分辨的大块塑料由于塑料微粒在动物体内很难被消化，所以随着食物链逐级传递，吃“塑料”目前来看已经是地球上几乎所有食肉动物共同的“爱好”。
这些微塑料当然不止在动物中堆积，他们也会通过各种动物出现在人类的餐桌上，最终被吃进人类的身体，通过饮用水进入身体！2019 年 6 月，澳大利亚纽卡斯尔大学的一项研究显示，全球人均每周摄入近 5 克微塑料。一篇名为《人类对微塑料的消费》的研究提到，美国人每天要摄入203至312块微塑料。
07
大部分微塑料不会被人和动物降解吸收
联合国粮食及农业组织调查认为，对于啮齿动物和狗而言，直径超过150微米的微塑料通常不会通过肠道吸收，而是随粪便排出。同时，人体摄入的微塑料和纳米级塑料颗粒90%以上也不会被直接吸收，由此看来摄入微塑料暂时不会对人类造成致命伤害。但是，尽管目前还没有微塑料影响人体健康的直接报道，有研究表明，动物体内微塑料的撞击和摩擦器官壁会引发炎症，而直径小于20微米的塑料颗粒可以进入血液循环系统，并且在内脏中累积，未排出的微塑料在体内长期积累很可能会对生理代谢造成长期的慢性危害。
英国普利茅斯大学马克·布朗（Mark Browne）首先证明了塑料颗粒并不总是无害地通过生物的身体。布朗选取蓝色贻贝作为研究对象，与鱼类不同的是贻贝生活在海底，并且喜欢待在同一地方，被认为是全球“微塑料污染的生物指标”。最终研究发现，蓝色贻贝细胞中不仅有塑料微粒的存在，同时更小颗粒的微塑料也进入了贻贝的循环系统中。随后，有越来越多的研究表明，摄入肠道中的微塑料会对动物的生殖能力及存活能力造成不同程度的危害。
另外，塑料制品在加工过程中通常会额外添加一些塑化剂（增塑剂）、抗氧化剂及染料以增强材料性能，除了塑料颗粒本身外，这些化学物质（如内分泌干扰素，双酚-A）对于健康的危害更为显著。另外，微塑料颗粒的吸附性很强，能够吸附很多环境中的病原菌及有害物质，多个国家的研究人员分析发现有些地区1克微塑料中含有持久性有机污染物（POPs）可高达24000纳克。持久性有机污染物对生物来说是一大类有害物质，具有高毒、持久、生物积累性、亲脂性和疏水性等特点，在低浓度时也会对生物体造成伤害。
微塑料的人体病理学研究最近几年才引起科研人员的重视。然而，科学研究需要一定时间，不仅需要知道人类暴露在多少塑料颗粒中，还需要判断残留在人类消化系统中的塑料颗粒数量，更需要搞清这些颗粒最终是否转移到了血液和其他器官内。另外，相对于塑料污染本身，微塑料吸附的化学物质可能会造成更严重的危害，这对于人类健康的长远影响更加令人担忧。我们的生活已然离不开塑料制品，在此我们呼吁大家选择可降解塑料，减少不可降解塑料产品的使用，从你我做起，共同维护我们赖以生存的生态环境。
08
未来的“塑”食动物
现在我们来回答最开始的问题，猫咪“嘟嘟”能以塑料为食吗？现在的答案是现在不可以。不但不可以，还可能造成危害。但是未来动物可以“塑”食吗？
也许可以！首先，目前能够降解塑料的微生物已经在虫子的肠道中发现。相信将来动物肠道的微生物一定会被发现也能够降解塑料。这是由于微生物的进化速度非常快，动物肠道内的微生物不断适应不断增加的体内塑料和微塑料的积累，一定会出现能降解塑料的肠道微生物。一旦肠道微生物将塑料聚合物降解为无害的小分子，那动物就可以吸收了。另一方面，越来越多的新型生物可降解塑料被创造出来，像聚乳酸（PLA），聚羟基烷酸酯(PHA)，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等，这些塑料都可以被微生物降解，被动物吸收利用。已经有实验证明可降解塑料PHB不仅可以被动物降解消化，而且在饲料中添加PHB可以对动物的生长、肠道消化和免疫功能、肠道短链脂肪酸含量和机体营养成分产生影响，提高动物的消化和免疫能力，优化机体的营养组成。
那未来会不会有动物可以直接消化吸收的普通的塑料制品呢？让我们拭目以待吧。
供稿：祁庆生
编辑：张彤 徐娅 李晓萌
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