2022年03月17日 12:00 新浪科技綜合 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 《吃塑料的微生物…塑料垃圾那麼多,趕緊喂啊》完,請繼續朗讀精采文章。 喜歡 科學報 cn-n.net,請記得按讚、收藏及分享。
音調
速度
音量
語言
吃塑料的微生物…塑料垃圾那麼多,趕緊喂啊
精確朗讀模式適合大多數瀏覽器,也相容於桌上型與行動裝置。
不過,使用Chorme瀏覽器仍存在一些問題,不建議使用Chorme瀏覽器進行精確朗讀。