2022年03月17日 12:00
【科學快訊】
來源 世界科學
塑料垃圾問題複雜而嚴峻，當你看到海龜肚子裏的塑料碎片和幽靈漁具下的動物屍骸，這個問題更顯觸目驚心。
許多組織正努力嘗試減少汙染。除了開展回收等傳統的解決方案，人類驚訝地發現自己身邊還有微生物幫手——少數微生物已經進化出「吃掉」某些塑料的能力，能將高分子塑料分解成小分子。這些微型「塑食」者很快就將在減少塑料垃圾和建立更綠色的經濟方面發揮關鍵作用。
塑料垃圾的處理需要一場革命
根據歐洲塑料協會（PE）的數據，2020年的全球塑料產量為3.67億噸，相比2019年的3.68億噸略有下降，這可能是新冠大流行的緣故，實際上，自20世紀50年代以來，塑料產量幾乎每年都在增加。2017年的一項研究估計，人類總共制造了83億噸塑料，相當於10億頭大象。
圖中的志願者正在秘魯利馬的一個海灘收集塑料垃圾
根據世界銀行的統計，2016年全球產生了2.42億噸塑料垃圾，雖說「僅有一小部分最終進入了海洋」，但「海洋每年仍可能吸收超過1000萬噸塑料」。
除了塑料本身的危險，塑料所含的大量會滲入水中的添加劑也令人擔憂。
丹麥羅斯基勒大學的蒂芙尼·拉莫斯（Tiffany M。
Ramos）表示：「隨著時間推移，我們真的不知道這些情況會帶來怎樣的影響。」
刨除流入海洋的部分，其餘大部分最終歸於垃圾填埋場。這聽起來似乎沒那麼糟糕，但要知道那裏頭有很多都是一次性塑料——或者說，「浪費資源和影響環境」的塑料。
塑料的生產需要從地下開采石油等化石燃料，這會帶來各種汙染風險，還釋放溫室氣體。2021年的一份報告指出，僅美國的塑料相關產業每年就制造2.32億噸溫室氣體，相當於116座燃煤電廠的排放量。
解決問題的方法並非完全停止使用塑料，因為它們在人類生產生活中發揮著至關重要的作用。舉一個辯證的例子：塑料瓶比玻璃瓶輕得多，因此運輸它們所消耗的能源更少，釋放的溫室氣體也更少。
但無論如何，我們需要圍繞塑料廢棄物的處理方式進行一場革命，而前文提到的「塑食」微生物正是這場革命的核心幹將。
始於垃圾堆，發現水解酶
2016年，由日本京都工藝纖維大學微生物學家小田耕平（Kohei Oda）領導的研究團隊報告了一個令人欣喜的發現：一種以PET塑料殘骸為食的細菌，並將其命名為Ideonella sakaiensis。
常被用於電器、包裝、紡織等領域的PET全名叫聚對苯二甲酸乙二醇酯，與大多數塑料一樣，是一種由無數小分子單元聚合而成的長鏈高分子材料。
鏈中的每對相鄰單元之間都以牢固的共價鍵綁定，如同連環鐵索；鏈和鏈之間又以複雜的分子間作用力相互吸引，就好像數不清的鐵鏈相互纏繞。因此PET塑料難以降解，擁有恒久遠和永流傳的屬性——人類也正因此而「當初用時好喜歡，如今用完嫌它煩」。（參考我們對礦泉水瓶和塑料袋的態度。）
小田耕平團隊采集了被PET汙染的沉積物和廢水樣本，並對它們進行篩選，以尋找可在塑料上生長的微生物，最後發現了Ideonella sakaiensis 201-F6這一新的細菌菌株。它們能在PET碎片上生長，還會以PET作為主要營養來源——也就是能高效地降解它。
圖中的中年男子正分類回收塑料瓶
Ideonella sakaiensis 201-F6的塑食能力源於它制造的一對酶：PET水解酶（PETase）和MHET水解酶（MHETase）。
前者負責將長PET的長鏈分子分解成小分子MHET，即對苯二甲酸單乙二醇酯；後者接著把MHET水解為乙二醇和對苯二甲酸。PET正是由乙二醇和對苯二甲酸合成、縮聚而來，而這整個水解過程相當於PET制造過程的逆向版本。
201-F6消化PET的示意圖
曆史上尋找微生物塑食者的蹤跡
新發現很快成為世界各地的頭條新聞，但它並非首個有機生命降解塑料的例子。
關於微生物塑食者的報道至少可以追溯到20世紀90年代初期。當然，塑食主義先驅沒收獲大家青睞，因為它們只能吃下化學結構不穩定或本就可生物降解的塑料。
到21世紀初，研究人員發現了能消化更堅硬塑料的酶。該領域的傑出學者、來自萊比錫大學的沃爾夫岡·齊默爾曼（Wolfgang Zimmermann）領銜的團隊研究了一種叫作角質酶的微生物酶——來源於包括Thermobifida cellulosilytica等在內的一部分擁有分解PET能力的細菌。
2012年，德國亞琛工業大學的拉斯·布蘭克（Lars Blank）在首度聽聞角質酶及其創造者的故事後，著手創建了一個科學家聯盟，旨在研究「解塑」之酶。此次牽頭，引出了2015—2019年的P4SB項目（「利用惡臭假單胞菌將塑料垃圾變廢為寶」，由歐盟資助）。布蘭克此後又建立了一個名為MIX-UP的項目，歐洲和中國的科學家在其中合作研究。
到21世紀10年代中期，科學家已認識很多能降解塑料的酶。
意大利沿海海洋環境研究所的加布裏埃拉·卡魯索
（Gabriella Caruso）非常清楚這類酶的潛力，他於2015年發表的一篇評論如此寫道：「塑料的微生物降解是一種很有前途的環保戰略，它給出了一道不會產生負面後果的塑料廢棄物處理妙策。」
那麼既然學界早就知曉它們的潛能，為什麼Ideonella sakaiensis 201-F6還會引起這麼大轟動呢？
用英國樸茨茅斯大學教授約翰·麥吉漢（John McGeehan）的話說：「相比於前輩，這顆塑食新星可將塑料作為其唯一的能量和食物來源。這非常令人驚訝，也顯示了進化壓力的作用——如果你是垃圾堆裏第一個突然喜歡上塑料的細菌，那麼你將擁有無限的食物來源。」
電鏡下的Ideonella sakaiensis（左）和降解的塑料殘骸（右）
換句話說，以前發現的酶不是圍繞塑料進化而來的，其降解能力更像是一種副產品，而Ideonella sakaiensis 201-F6的酶非常有針對性。
不過布蘭克認為Ideonella sakaiensis 201-F6的酶算不上頂級佳作，因為它們只能緩慢地降解PET。「沃爾夫岡·齊默爾曼那時找到的酶要好得多，但這篇新論文引發的興奮之情帶來了巨大影響。」
捷報頻傳，成果豐碩
2018年，麥吉漢和同事更進一步，表征了Ideonella sakaiensis 201-F6的PET水解酶的三維結構，闡明其工作原理，更是通過調整結構提高了酶的降解效率。
接下來，麥吉漢繼續向前突破，試圖修改包括PET水解酶等在內的「解塑」酶，使其能以工業規模降解原本會留於環境裏的塑料。「我們從政府那裏獲得了600萬英鎊的巨額撥款。然後成立了一個名為‘酶創新中心’的專業機構。」
巨額資助已經轉化出了一些碩果。
2020年，麥吉漢團隊報告稱，他們成功將PET水解酶和MHET水解酶連接在一起，得到了「超級酶」，它食用PET的速度大約為兩種酶分開工作時的6倍。
與此同時，其他團隊，例如布蘭克的MIX-UP項目，也生產出了改進版本的酶。
樸茨茅斯大學酶創新中心主任約翰·麥吉漢教授
另一方面，有證據表明世界各地的微生物都在進化出類似能力。
2021年10月發表的一項研究指出，塑料汙染程度高的地區的微生物更有可能產生具備解塑潛力的酶。
另一項2020年的研究確定了一種能以聚氨酯的某些成分為食的土壤細菌。
（聚氨酯分解時會釋放有毒化學物質）。
現在的問題就變成了——這些酶在減少塑料汙染方面究竟能發揮多大的作用？
微生物「吃」塑料的商業化
——塑料生產的循環經濟成為可能
到目前為止，大部分工作都在高校開展，但一些團體正試圖將微生物吃塑料這項前沿技術商業化。
樸茨茅斯大學成立了「塑料革命」（Revolution Plastics）項目，旨在搭建連接學術界和工業界的橋梁。
麥吉漢表示：「我們已經宣傳了與可口可樂的聯合培養博士項目。」
麥吉漢還是一個名為BOTTLE的國際研究團隊的成員，該團隊致力於開發塑料回收和升級再造的新技術，目前正在與大企業進行商談。
眼下走在最前列的商業化項目由法國生物技術公司Carbios主導運行。
2021年9月，Carbios在法國中南部城市克萊蒙費朗開設了一家試點工廠，計劃在那裏測試回收PET的系統。該回收系統所用的酶最初於堆肥中發現，技術團隊對其進行了修改，使其運轉速度更快，並且能在高溫（會讓PET變軟）下工作。
這些酶的優勢在於它們從分子水平上分解塑料，因此可重新制造出最高品質的塑料。相比之下，其他形式的回收導致塑料質量緩慢下降，直到最終無法再被回收，只能填埋或焚燒。
至少在理論上，酶促循環/回收稱得上真正的循環。
用拉莫斯的話說：「這就是我們所說的閉環回收系統。你回收一些舊東西，然後用它制造出同樣質量的新產品——迄今為止，只有一小部分塑料以這種方式被回收，但酶可以改變這一點。」
循環經濟盡可能地循環利用一切
麥吉漢說道：「我認為在未來5年內，我們將在很多地方看到示範工廠。」
不過我們也必須清楚，酶的用途終究有限。用拉莫斯的話說：「它永遠不會是一種通用的解決方案，我們不應該指望酶來清理所有塑料垃圾。有些塑料甚至比PET更堅韌。」
布蘭克指出，如果可以通過加熱先把塑料軟化，酶的效果會達到最佳。這也意味著當酶處於常規環境下，它難以真正發揮功能。只有在溫度控制的反應器內，高效的塑料降解方可實現。因此，海洋塑料的解決方案還是要從減少廢棄物產生的方面入手。
這些超級酶能在循環經濟中發揮重要作用，但關鍵是我們知道在什麼地方、以何種方式、多大程度上使用它們。
值得一提的是，在2021年7月發表的一項研究中，麥吉漢和同事估算了PET酶促循環體系的成本，結果顯示，使用通過酶循環生產出的PET，相比使用通過傳統化石燃料衍生而來的PET，二者在成本方面可以掰掰手腕。
在拉莫斯眼中，解塑之酶最終必定要成為人類塑料革命的一部分，但也只是一部分。同樣重要的是，將塑料產品設計得易於重複使用和回收——這可能意味著避免使用多種塑料或將塑料與其他材料融合的設計，因為複合材料很難回收。
參考資料：
Nudged along by scientists and evolution， micro-organisms that digest plastics have the potential to create an efficient method of recycling
END
