吃塑料的微生物…塑料垃圾那么多，赶紧喂啊

　　来源 世界科学

　　塑料垃圾问题复杂而严峻，当你看到海龟肚子里的塑料碎片和幽灵渔具下的动物尸骸，这个问题更显触目惊心。

　　许多组织正努力尝试减少污染。除了开展回收等传统的解决方案，人类惊讶地发现自己身边还有微生物帮手——少数微生物已经进化出“吃掉”某些塑料的能力，能将高分子塑料分解成小分子。这些微型“塑食”者很快就将在减少塑料垃圾和建立更绿色的经济方面发挥关键作用。

　　塑料垃圾的处理需要一场革命

　　根据欧洲塑料协会（PE）的数据，2020年的全球塑料产量为3.67亿吨，相比2019年的3.68亿吨略有下降，这可能是新冠大流行的缘故，实际上，自20世纪50年代以来，塑料产量几乎每年都在增加。2017年的一项研究估计，人类总共制造了83亿吨塑料，相当于10亿头大象。

图中的志愿者正在秘鲁利马的一个海滩收集塑料垃圾

　　根据世界银行的统计，2016年全球产生了2.42亿吨塑料垃圾，虽说“仅有一小部分最终进入了海洋”，但“海洋每年仍可能吸收超过1000万吨塑料”。

　　除了塑料本身的危险，塑料所含的大量会渗入水中的添加剂也令人担忧。

　　丹麦罗斯基勒大学的蒂芙尼·拉莫斯（Tiffany M。 Ramos）表示：“随着时间推移，我们真的不知道这些情况会带来怎样的影响。”

　　刨除流入海洋的部分，其余大部分最终归于垃圾填埋场。这听起来似乎没那么糟糕，但要知道那里头有很多都是一次性塑料——或者说，“浪费资源和影响环境”的塑料。

　　塑料的生产需要从地下开采石油等化石燃料，这会带来各种污染风险，还释放温室气体。2021年的一份报告指出，仅美国的塑料相关产业每年就制造2.32亿吨温室气体，相当于116座燃煤电厂的排放量。

　　解决问题的方法并非完全停止使用塑料，因为它们在人类生产生活中发挥着至关重要的作用。举一个辩证的例子：塑料瓶比玻璃瓶轻得多，因此运输它们所消耗的能源更少，释放的温室气体也更少。

　　但无论如何，我们需要围绕塑料废弃物的处理方式进行一场革命，而前文提到的“塑食”微生物正是这场革命的核心干将。

　　始于垃圾堆，发现水解酶

　　2016年，由日本京都工艺纤维大学微生物学家小田耕平（Kohei Oda）领导的研究团队报告了一个令人欣喜的发现：一种以PET塑料残骸为食的细菌，并将其命名为Ideonella sakaiensis。

　　常被用于电器、包装、纺织等领域的PET全名叫聚对苯二甲酸乙二醇酯，与大多数塑料一样，是一种由无数小分子单元聚合而成的长链高分子材料。

　　链中的每对相邻单元之间都以牢固的共价键绑定，如同连环铁索；链和链之间又以复杂的分子间作用力相互吸引，就好像数不清的铁链相互缠绕。因此PET塑料难以降解，拥有恒久远和永流传的属性——人类也正因此而“当初用时好喜欢，如今用完嫌它烦”。（参考我们对矿泉水瓶和塑料袋的态度。）

　　小田耕平团队采集了被PET污染的沉积物和废水样本，并对它们进行筛选，以寻找可在塑料上生长的微生物，最后发现了Ideonella sakaiensis 201-F6这一新的细菌菌株。它们能在PET碎片上生长，还会以PET作为主要营养来源——也就是能高效地降解它。

图中的中年男子正分类回收塑料瓶

　　Ideonella sakaiensis 201-F6的塑食能力源于它制造的一对酶：PET水解酶（PETase）和MHET水解酶（MHETase）。

　　前者负责将长PET的长链分子分解成小分子MHET，即对苯二甲酸单乙二醇酯；后者接着把MHET水解为乙二醇和对苯二甲酸。PET正是由乙二醇和对苯二甲酸合成、缩聚而来，而这整个水解过程相当于PET制造过程的逆向版本。

201-F6消化PET的示意图

　　历史上寻找微生物塑食者的踪迹

　　新发现很快成为世界各地的头条新闻，但它并非首个有机生命降解塑料的例子。

　　关于微生物塑食者的报道至少可以追溯到20世纪90年代初期。当然，塑食主义先驱没收获大家青睐，因为它们只能吃下化学结构不稳定或本就可生物降解的塑料。

　　到21世纪初，研究人员发现了能消化更坚硬塑料的酶。该领域的杰出学者、来自莱比锡大学的沃尔夫冈·齐默尔曼（Wolfgang Zimmermann）领衔的团队研究了一种叫作角质酶的微生物酶——来源于包括Thermobifida cellulosilytica等在内的一部分拥有分解PET能力的细菌。

　　2012年，德国亚琛工业大学的拉斯·布兰克（Lars Blank）在首度听闻角质酶及其创造者的故事后，着手创建了一个科学家联盟，旨在研究“解塑”之酶。此次牵头，引出了2015—2019年的P4SB项目（“利用恶臭假单胞菌将塑料垃圾变废为宝”，由欧盟资助）。布兰克此后又建立了一个名为MIX-UP的项目，欧洲和中国的科学家在其中合作研究。

　　到21世纪10年代中期，科学家已认识很多能降解塑料的酶。

　　意大利沿海海洋环境研究所的加布里埃拉·卡鲁索

　　（Gabriella Caruso）非常清楚这类酶的潜力，他于2015年发表的一篇评论如此写道：“塑料的微生物降解是一种很有前途的环保战略，它给出了一道不会产生负面后果的塑料废弃物处理妙策。”

　　那么既然学界早就知晓它们的潜能，为什么Ideonella sakaiensis 201-F6还会引起这么大轰动呢？

　　用英国朴茨茅斯大学教授约翰·麦吉汉（John McGeehan）的话说：“相比于前辈，这颗塑食新星可将塑料作为其唯一的能量和食物来源。这非常令人惊讶，也显示了进化压力的作用——如果你是垃圾堆里第一个突然喜欢上塑料的细菌，那么你将拥有无限的食物来源。”

电镜下的Ideonella sakaiensis（左）和降解的塑料残骸（右）

　　换句话说，以前发现的酶不是围绕塑料进化而来的，其降解能力更像是一种副产品，而Ideonella sakaiensis 201-F6的酶非常有针对性。

　　不过布兰克认为Ideonella sakaiensis 201-F6的酶算不上顶级佳作，因为它们只能缓慢地降解PET。“沃尔夫冈·齐默尔曼那时找到的酶要好得多，但这篇新论文引发的兴奋之情带来了巨大影响。”

　　捷报频传，成果丰硕

　　2018年，麦吉汉和同事更进一步，表征了Ideonella sakaiensis 201-F6的PET水解酶的三维结构，阐明其工作原理，更是通过调整结构提高了酶的降解效率。

　　接下来，麦吉汉继续向前突破，试图修改包括PET水解酶等在内的“解塑”酶，使其能以工业规模降解原本会留于环境里的塑料。“我们从政府那里获得了600万英镑的巨额拨款。然后成立了一个名为‘酶创新中心’的专业机构。”

　　巨额资助已经转化出了一些硕果。

　　2020年，麦吉汉团队报告称，他们成功将PET水解酶和MHET水解酶连接在一起，得到了“超级酶”，它食用PET的速度大约为两种酶分开工作时的6倍。

　　与此同时，其他团队，例如布兰克的MIX-UP项目，也生产出了改进版本的酶。

朴茨茅斯大学酶创新中心主任约翰·麦吉汉教授

　　另一方面，有证据表明世界各地的微生物都在进化出类似能力。

　　2021年10月发表的一项研究指出，塑料污染程度高的地区的微生物更有可能产生具备解塑潜力的酶。

　　另一项2020年的研究确定了一种能以聚氨酯的某些成分为食的土壤细菌。

　　（聚氨酯分解时会释放有毒化学物质）。

　　现在的问题就变成了——这些酶在减少塑料污染方面究竟能发挥多大的作用？

　　微生物“吃”塑料的商业化

　　——塑料生产的循环经济成为可能

　　到目前为止，大部分工作都在高校开展，但一些团体正试图将微生物吃塑料这项前沿技术商业化。

　　朴茨茅斯大学成立了“塑料革命”（Revolution Plastics）项目，旨在搭建连接学术界和工业界的桥梁。

　　麦吉汉表示：“我们已经宣传了与可口可乐的联合培养博士项目。”

　　麦吉汉还是一个名为BOTTLE的国际研究团队的成员，该团队致力于开发塑料回收和升级再造的新技术，目前正在与大企业进行商谈。

　　眼下走在最前列的商业化项目由法国生物技术公司Carbios主导运行。

　　2021年9月，Carbios在法国中南部城市克莱蒙费朗开设了一家试点工厂，计划在那里测试回收PET的系统。该回收系统所用的酶最初于堆肥中发现，技术团队对其进行了修改，使其运转速度更快，并且能在高温（会让PET变软）下工作。

　　这些酶的优势在于它们从分子水平上分解塑料，因此可重新制造出最高品质的塑料。相比之下，其他形式的回收导致塑料质量缓慢下降，直到最终无法再被回收，只能填埋或焚烧。

　　至少在理论上，酶促循环/回收称得上真正的循环。

　　用拉莫斯的话说：“这就是我们所说的闭环回收系统。你回收一些旧东西，然后用它制造出同样质量的新产品——迄今为止，只有一小部分塑料以这种方式被回收，但酶可以改变这一点。”

循环经济尽可能地循环利用一切

　　麦吉汉说道：“我认为在未来5年内，我们将在很多地方看到示范工厂。”

　　不过我们也必须清楚，酶的用途终究有限。用拉莫斯的话说：“它永远不会是一种通用的解决方案，我们不应该指望酶来清理所有塑料垃圾。有些塑料甚至比PET更坚韧。”

　　布兰克指出，如果可以通过加热先把塑料软化，酶的效果会达到最佳。这也意味着当酶处于常规环境下，它难以真正发挥功能。只有在温度控制的反应器内，高效的塑料降解方可实现。因此，海洋塑料的解决方案还是要从减少废弃物产生的方面入手。

　　这些超级酶能在循环经济中发挥重要作用，但关键是我们知道在什么地方、以何种方式、多大程度上使用它们。

　　值得一提的是，在2021年7月发表的一项研究中，麦吉汉和同事估算了PET酶促循环体系的成本，结果显示，使用通过酶循环生产出的PET，相比使用通过传统化石燃料衍生而来的PET，二者在成本方面可以掰掰手腕。

　　在拉莫斯眼中，解塑之酶最终必定要成为人类塑料革命的一部分，但也只是一部分。同样重要的是，将塑料产品设计得易于重复使用和回收——这可能意味着避免使用多种塑料或将塑料与其他材料融合的设计，因为复合材料很难回收。

　　参考资料：

　　Nudged along by scientists and evolution， micro-organisms that digest plastics have the potential to create an efficient method of recycling

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