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
