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（WolfgangZimmermann）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（LarsBlank）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
（GabriellaCaruso）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 sakaiensis201-F6的酶非常有针对性。
不过布兰克认为Ideonella sakaiensis201-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”（RevolutionPlastics）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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