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塑料垃圾养育的微生物,能帮我们吃掉塑料垃圾吗?

时间:2022-03-08 11:45:58 | 来源:环球科学

塑料污染的问题日益严峻。除了减少浪费、循环利用等耳熟能详措施之外,科学家还为我们找到了一个得力的盟友——微生物。有些微生物已经演化出了“吃掉”一些塑料的能力,或许很快就能协助我们减少塑料垃圾,建设更加绿色的循环经济。

撰文"迈克尔·马歇尔(Michael Marshall)

编译|郑昱虹

审校|clefable

环顾四周,从你正在使用的手机、电脑,到身上穿的衣服、鞋子,再到房间里的食品包装、生活用品、家电……它们大多含有塑料。这种有机高分子材料早已成为了绝大多数现代人生活的一部分。自上世纪50年代以来,全球塑料产量几乎每年都在增加,在2020年达到了3.67亿吨之巨。但是,大部分塑料在完成使命之后,却没有得到妥善的处理。研究估计,从1950年到2015年,人类已经生产了83亿吨塑料,其中63亿吨变成了垃圾,而在这其中只有约6亿吨(9%)被回收使用,其余小部分被焚烧,大部分都被填埋或进入了自然环境。

焚烧塑料垃圾会产生有毒的污染物,而暴露在自然风化条件下的塑料很难像其它垃圾一样降解——从聚合物变成单体。遍布全球的塑料垃圾杀死了大量的鸟类、鱼类和其它多种动物等,它们还持续释放着添加剂,并变成微塑料飘散到世界的每一个角落。

由于塑料在很多方面都有不可替代的价值,我们不能一刀切地禁止塑料的生产。例如,塑料瓶比玻璃瓶轻得多,所以运输塑料瓶需要的能量更少,释放的温室气体也更少。但是,我们需要对处理塑料垃圾的方式进行一场革命,而微生物或许可以帮我们一个大忙。

盛宴招徕的食客

2016年,日本京都工艺纤维大学(Kyoto Institute of Technology)微生物学家织田小平(Kohei Oda)的研究团队报告了一个突破性的发现。他们考察了大阪府堺市的一家塑料瓶回收站,在被PET塑料污染的沉积物和废水样本中,发现了一种新的可以以PET作为主要营养来源的细菌——大阪堺菌(Ideonella sakaiensis 201-F6)。

PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)是饮料瓶和合成纤维的常用材料,由乙二醇和对苯二甲酸聚合而成的长链分子。由于这种物质在自然界中并不存在,绝大部分微生物也就不具备分解这类塑料的能力。在自然环境下,这种化合物的降解可能需要上百年之久。

而大阪堺菌之所以能把PET“大卸八块”,得益于它能产生2种独特的酶。PET酶将长链的PET分子分解成更小的单羟乙基对苯二甲酸酯(MHET),MHET酶能将MHET分子进一步分解为乙二醇和对苯二甲酸。也就是说,大阪堺菌可以完全逆转PET的形成过程。

其实,最晚在20世纪90年代初就已经有了关于微生物降解塑料的发现。这些发现可能没有那么引人关注,因为这些微生物只能“吃”化学结构不那么坚固的塑料。但到了2000年,科学家发现了可以对付更硬塑料的酶。到2015年前后,科学家发现了大量的塑料降解酶。

那么,大阪堺菌的发现为什么引起了轰动呢?英国朴茨茅斯大学的结构生物学教授约翰·麦吉汉(John McGeehan)说:“这种微生物的独特之处在于,它可以把塑料作为唯一的食物来源。这实际上相当令人意外,在某种程度上显示了演化压力的作用。如果你是垃圾堆中第一个对塑料产生兴趣的细菌,那么你一下子就有了无限的食物来源。”

换句话说,那些之前发现的酶并不是为降解塑料演化的,它们只是演化出了可以分解生物体中坚固的长链分子的能力,降解塑料是一种附带功能而已。相比之下,大阪堺菌的酶是专门针对降解塑料而演化的。

有证据表明,世界各地的微生物正在演化出降解塑料的能力。一项发表于2020年的研究发现了一种土壤细菌,它能够以对大部分细菌有毒的聚氨酯为食。2021年的一项研究发现,在塑料污染严重的地区,微生物更有可能含有具有降解塑料能力的酶。

塑料的循环经济

2018年,麦吉汉和同事们针对大阪堺菌做了进一步的研究。他们描述了大阪堺菌形成的PET酶的三维结构,以揭示它的工作原理。为了解这种酶的演化过程,他们对其结构进行微调。意外的是,这竟然使它的工作效率提高了!显然,这种酶还有改进的空间。

朴茨茅斯大学酶创新中心主任约翰·麦吉汉(图片来源:University of Portsmouth/Stefan Ventur/PA)

麦吉汉继续尝试改良这种PET酶和其他类似的酶,使它们能够在工业规模上降解塑料垃圾。2020年,麦吉汉的团队报告称,他们将PET酶和MHET酶连在一起,形成了一种“超级酶”,它降解PET的速度比这两种酶单独工作的速度快6倍。与此同时,其他一些研究团队也对这种酶进行了不同程度的改良。

这些酶可以在分子水平上分解塑料,而分解后的产物可以重新制造出高质量的塑料。相比之下,其他的回收方式都会导致塑料质量逐步下降,直到最终的产物无法再回收,只能被填埋或焚烧。所以至少在理论上,使用酶回收塑料是真正的循环经济。

一些团体正在尝试将这类塑料回收技术商业化。2021年9月,法国的生物技术公司Carbios在克莱蒙费朗开设了一个试点工厂,将在那里测试一个PET回收系统。他们使用了一种在堆肥中发现的酶,并对其进行了改造,使其工作速度更快,能在更高的温度下工作。

在2021年7月发表的一项研究中,麦吉汉和同事估计了用酶回收PET再加工的成本,发现其可以与以化石燃料为原料的常规PET制造方法竞争。“我认为在未来的五年里,我们将在各地看到示范工厂。” 麦吉汉说。

不过,酶的作用有限度的。德国亚琛大学的应用微生物学家拉尔斯·布兰克(Lars Blank)指出,当塑料被加热软化时,酶的工作效果最好。这意味着把酶投入到自然环境中作用不大,因为它们只有在温度可控的反应堆中才能真正发挥作用。

我们需要对制造和使用塑料的方式进行变革,使塑料产品更加便于回收利用。比如,避免使用多种塑料或者将塑料与其他材料融合的设计,因为它们将难以回收。

充斥着塑料的环境促使微生物演化出分解塑料的酶,先进的科学技术将它们改造得更加强大。但是,酶能参与的只是治理塑料污染的一个环节中的一部分。制造更易回收的塑料产品、减少不必要的使用、在使用后进行分类回收……这些更为关键的步骤,都要靠我们人类自己完成。

原文链接:

https://www.theguardian.com/environment/2022/feb/05/how-super-enzymes-that-eat-plastics-could-curb-our-waste-problem

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