牛太牛了!新研究发现牛胃竟然能消化塑料(组图)

众所周知,牛有四个胃,分别是瘤胃、网胃、辦胃、皱胃。

其中网胃过滤、辦胃研磨、皱胃消化,而真正将草中的纤维素变为蛋白质,从而制造肌肉的器官,是牛的瘤胃。

同时,瘤胃也是牛用来分解塑料的场所。

瘤胃是个巨大的囊状器官,几乎占据了牛体内小半个体腔。在这里面,上层是二氧化碳、甲烷等气体,中间是液体,底层是沉淀的食糜,就像一个食物发酵罐。

既然是发酵,里面自然存在大量细菌,包括纤维降解菌、淀粉降解菌、半纤维降解菌、蛋白降解菌、脂肪降解菌、酸利用菌、乳酸产生菌、等各种其它菌。

简单来说,每克瘤胃内容物含有109~1010个细菌。

通过发酵,草中的纤维素转化为蛋白质。即瘤胃内的厌氧微生物,分解利用纤维素、尿素等正常动物绝难吸收的物质,合成菌体蛋白。

然后将这些微生物送入皱胃,那里有大量的胃酸和消化酶。微生物在皱胃被杀死,并被牛消化吸收。

相当于牛吃草养细菌,然后消化细菌吸收营养。

而塑料又是以单体为原料,通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物,主要成分是树脂。

因此科学家怀疑,由于牛的食物本身就含有天然的高分子化合物(植物的细胞壁),所以牛也许还能分解塑料。

为了验证这一理论,奥地利自然资源和生命科学大学的研究人员,来到当地的一家屠宰场,从一只年轻的阿尔卑斯牧场饲养的牛的瘤胃中采集了液体样本。

然后对样本中的细菌进行了研究,测试它们分解聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸乙二酯(Polybutylene Adipate Terephalate ,简称PBAT)与聚呋喃酸乙二酯(Polybutylene Furanoate ,简称PEF)的能力。

其中,PET是最常见的热塑料。适用于电子电气和汽车行业,用于各种线圈骨架、变压器、电视机、录音机零部件和外壳、汽车灯座、灯罩、白热灯座、继电器、硒整流器等。

这三种塑料的样品被放置在培养的瘤胃液体中。

结果出奇的好,三种塑料都毫无问题地分解了。并且研究人员注意到,与单一微生物分解塑料的成果相比,辅以瘤胃液体会使分解塑料的效果更好。

因此他们认为,瘤胃液体的环境可能更有利于牛体内的细菌分解塑料。这表明,比起一种微生物产生的特定的酶,全体微生物群落生产的各种酶组合起来,才是有效分解塑料的关键。

这项研究的成果对于人类而言是极好的消息,要知道塑料污染是破坏我们生存条件的灾祸之一。

在 1 分钟内,全球就能卖出 100 万个塑料瓶,200 万个塑料袋,截至 2018 年,全球每年生产约 3.8 亿吨塑料。

自20世纪50年代以来,已经生产了超过80亿吨塑料,相当于10亿头大象的重量。其中约 9% 已被回收利用,另外 12% 已被焚化。

大量的塑料垃圾进入环境,要等 1000 多年才能降解。

它们侵入土壤,释放所含有的有害物质如邻苯二甲酸盐,抑制土壤微生物活性。

它们沉到海底,即使是海洋最深处的马里亚纳海沟:位于西太平洋,在马里亚纳群岛的东部,延伸到海面以下近11 , 000米处。

一些研究人员认为,到 2050 年,按重量计算,海洋中的塑料可能比鱼还多。

最终,塑料作为一种难以降解的环境污染物,会被动植物误食吸收,并积聚于食物链,再由食物链进入人体,造成塑料微球在人体内积累。

因此解决塑料污染迫在眉睫。

现在我们知道瘤胃液体可以降解塑料,并且一头牛通常会产生大约100升的瘤胃液体。而除了牛以外,像羊、鹿之类的反刍目动物都有胃瘤。

重要的是,根据联合国粮食及农业组织2017 年公布的数据,2014 年,有 5.45 亿只绵羊被屠宰,同时还有4.44 亿只山羊和3亿头牛,现在只会更多。

可想而知,这些原本被浪费的胃瘤液体,如果应用于回收塑料处理,必将创造一大笔财富。

当然,对于如何利用瘤胃液体,科学家有更好的办法。他们表示,接下来要做的是从瘤胃里数千个微生物中,找出那些对塑料降解至关重要的。

接着找出至关重要的微生物所产生的酶。而一旦找到这些酶,就可以被生产出来,并应用于塑料处理。

这项研究已发表在《生物工程和生物技术前沿》。



相关报道:牛太牛了!牛胃竟然能消化塑料,科学家:世界难题不难了

塑料污染一直都是世界难题,是环保“杀手”。科学界一直在不断攻克,但由于培养降解塑料的微生物成本太高,难以量产。在《生物工程与生物技术前沿》上出现一篇报告:

用牛胃中的微生物分解塑料——这是一种可持续的减少垃圾的方法 。

什么意思!难道牛可以吃塑料?这么简单为什么大家以前没想到?这事还得从牛吃的是草,长的却是肌肉说起。

灵感

牛不吃肉却比食肉动物健壮,因为牛有一套特殊的消化系统,系统内存在大量的微生物。人吃菜,吃的是“寂寞”。因为人类无法分解吸收蔬菜中最主要的能量——纤维素。纤维素是植物细胞细胞壁的主要成分,结构极为稳定,由大量葡萄糖小分子聚合而成。

人体微生物难以拆开链接葡糖糖分子的糖苷键,都是嚼吧嚼吧成丝状后,便咽下去。由于无法分解,它还要出来,肠道的排异反应就会加快肠道蠕动,希望赶紧把它赶出去。因此,蔬菜有清肠道、助消化的功效。

牛吃菜,吃的是“灵魂”。牛是一种反刍动物。牛把草嚼一嚼咽下去,如果不够碎,牛会再吐回嘴里进行二次咀嚼。有的时候为了躲避天敌或者赶路,牛会快速吃草,随便嚼两下就咽下去,存储起来,等没事的时候再吐回嘴里“细嚼慢咽”。

牛囤草的地方叫做“瘤胃”,如果切好端餐桌上则叫“毛肚”。牛还有另三个胃分别是网胃(金钱肚)、重瓣胃(千层肚),皱胃(牛肚)。

四个胃的作用为:浸泡、分解——研磨、过滤——挤干、排汁——酸化分解。这一套流程下来,再加上肠道进行吸收,才能榨出纤维素中的精华。

在这过程中,最重要就是在瘤胃中“浸泡”。草并非浸泡在水中,而是大量微生物分泌出的纤维素酶中。当纤维素酶可以拆解糖苷键,促使葡萄糖更容易被吸收。牛反刍就是为了让草足够碎,更容易被瘤胃中的微生物分解,后面的流程则是为了高效吸收。

在木本植物中,纤维素有个更为稳定、结构更为致密的“兄弟”木质素,它们相互连接,同为植物细胞壁主要成分,与塑料一样都是高聚物、不溶于水、极为稳定。

塑料污染就像“当初的木质素污染”

2.9~3.6亿年前的石炭纪,木质素出现,基于其结构致密,植物在它的帮助下可以长成参天大树,但也是结构致密,没有微生物可以降解它。

当时高大的树木死后无法腐烂,锁住了大量的碳,阻止了地球碳循环,到最后地球陆地上足足覆盖了30米高的植物尸体,眼看着所有生命即将终结,地球终于进化出一种可以高效分解木质素的真菌,解决了这场危机。

你有没有发现,如今塑料污染不就是“当初的木质素”吗?因此,科学家希望像当初地球进化出的“真菌”一样,找到某种可以“吃塑料”的微生物,解决塑料污染问题。

维也纳的一个研究团队突然奇想:既然瘤胃中巨大的微生物群落,可以分解植物聚合物,那么是否可以分解塑料呢?

实验

由于西方人对动物内脏不太感兴趣,他们很容易就在一家屠宰场找到了大量的瘤胃,从中提取了大量的微生物群落液体。

他们找来了三种塑料(PET、PBAT、PEF),分别都弄成了两份:一份为粉末状,像牛反刍咀嚼后的产物;一份为薄膜状,像塑料袋。接着把这6份材料分别与6份瘤胃液一起孵育,果不其然这三种塑料都被分解了,而且粉末分解得更快。

研究人员更进一步,将瘤胃中的微生物进行分离,每次一种微生物单独与塑料进行实验,结果发现还是微生物组合液更高效。说明微生物分解塑料属于“团队作战”,需要多种微生物分泌多种酶进行分解,而不是某种微生物单独具备分解能力。以前的塑料降解研究,科学家大多都擅长于用某种微生物“单刀作战”,这次研究为以后提供了一种新的方向。

虽然这次实验同样是在实验室中小规模进行,但奥地利自然资源与生命科学大学的Ribitsch博士表示:屠宰场每天会积累大量的瘤胃,想要扩大规模并不困难。通过这次偶然发现,说明了微生物群落是一种潜在生态资源,即使很多生物近在眼前,但人类对它们还是知之甚少。除此之外,西方人可能不了解毛肚很少吃,瘤胃液在我们这儿不好取。

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