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吃塑料的微生物…塑料垃圾那么多,赶紧喂啊

科技 5个月前 社科兔
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  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。

吃塑料的微生物…塑料垃圾那么多,赶紧喂啊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 sakaiensis201-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。

吃塑料的微生物…塑料垃圾那么多,赶紧喂啊图中的中年男子正分类回收塑料瓶

  Ideonella sakaiensis201-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。

吃塑料的微生物…塑料垃圾那么多,赶紧喂啊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。”

吃塑料的微生物…塑料垃圾那么多,赶紧喂啊电镜下的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。

吃塑料的微生物…塑料垃圾那么多,赶紧喂啊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。”

吃塑料的微生物…塑料垃圾那么多,赶紧喂啊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

  END

版权声明:社科兔 发表于 2022年3月22日 下午2:05。
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