塑料帶來的難題，或許它們可以解決

出品：科普中國

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

據統計，自1950年以來全球塑料產量超過80億噸，平均下來，地球上每個人都能分到一卡車。

其中只有9%的塑料廢品被回收利用，12%的命運是付之一炬，其餘的塑料垃圾就傾倒進了環境中。

塑料的危害不止於此。

丟棄在環境裏的塑料在陽光暴曬和風力撕扯的作用下，逐漸由大變小，由小化微，直至變成毫米級的塑料微粒。

微塑料已經擴散到地球的每一寸土地，從人跡罕至的南北極，到世界最高點珠穆朗瑪峯都出現了微塑料的身影。

魚類和鳥類經常把微塑料誤當作食物，一不小心就成了"塑"食主義者。在20多種常見經濟魚類中，有九成體內存在微塑料。

就算在南極，80%鳥類的胃裏都有微塑料。

微塑料抓住食物鏈一路高歌猛進，幾乎沒有動物能夠逃脱食"塑"的命運。

據估計，全球人均每年攝入約107顆微塑料，相當於每週吞下一張信用卡 重 的微塑料。

如何降解掉塑料，成了擺在全世界科學家面前的一道大難題。

科學家找到了多種或許能夠拯救地球的微生物，這些微生物能夠分解塑料，並以塑料為食。

黃粉蟲，又叫麪包蟲，由於蛋白質含量高達50%，被人工養殖作為一道美食。

而黃粉蟲眼裏的美食卻是果皮、酒糟、秸稈這樣的廢棄物。

因為食性較廣泛，科學家嘗試給它們餵食聚苯乙烯塑料泡沫，沒想到它們吃掉了泡沫。

被齧食的塑料一部分成功為黃粉蟲增了膘——同化為身體脂肪，剩餘部分穿腸而過，變作類似兔糞便的生物降解顆粒，還可以作為有機肥料繼續使用。

蠟螟，天生愛搞破壞，是蜜蜂的天敵，養蜂人的噩夢。

蠟螟降解塑料的發現源於一次偶然事件：一個業餘養蜂人從蜂巢中捉到幾隻蠟螟，並封在了塑料袋裏。

萬萬沒想到幾分鐘後被囚禁的害蟲竟然逃之夭夭，只留下了千瘡百孔的塑料袋。

其實蠟螟能夠降解塑料不足為奇，因為它們最愛的美食是蜂蠟。

而蜂蠟中最常見的烴鍵化學結構與聚乙烯高度相似，人稱"天然塑料"。

被嚼碎的聚乙烯經過蠟螟的消化，轉變為乙二醇小分子，幾周內就可以在自然環境中降解。

此外，科學家發現印度谷螟、大麥蟲等昆蟲也具有降解塑料的能力。

最終，研究者發現，秘密武器是它們的腸道里的微生物。

科學家把蠟螟和黃粉蟲放在飼養盒裏，先餓它們兩天，然後用剪碎的聚乙烯地膜飼餵十天。

之後將這些塑料馴化後的昆蟲解剖、挑出腸子，磨碎後製成腸道菌羣富集培養液，繼續投餵聚乙烯地膜，分離出可以降解這種塑料的細菌。

目前科學家已經從蠟螟、黃粉蟲等昆蟲的腸道中分離到多種高效降解塑料的微生物。

除此之外，農田土壤、廢棄地膜、垃圾填埋場、污泥和海洋等環境也是科學家尋找塑料降解微生物的首選之地。

PET是一種廣泛用於飲料瓶製造的塑料。

日本科學家從垃圾回收點採集了250份含有PET纖維的土壤和污水樣品，利用PET材料直接從中篩選到了可以降解並利用它生長的細菌。

在電鏡下觀察到，這種細菌可以附着在PET的表面，形成一層生物膜，然後蠶食PET。

繼續深入挖掘，又發現了細菌降解PET的秘密武器——菌體內兩種負責PET降解的關鍵酶，被分別命名為PETase和MHETase。

於是科學家預測了細菌降解PET的過程：先由PETase將聚酯鏈切成較短的中間產物，然後再由MHETase繼續降解為單體小分子。

小分子被細菌同化利用，最終變成水和二氧化碳等物質。

能降解還不夠，還要高效

雖然已經證實多種塑料可以被微生物降解，但天然降解塑料的微生物效率都非常低，對環境適應性差，限制了其自身的實際應用。

因此，科學家還要繼續在實驗室中對這些微生物進行馴化和改造。

以PET這種塑料為例，在較高温度下，PET聚酯鏈的波動性會增加，酶對聚酯鏈的可及性上升，從而能提高PET的降解效率。

這就要求，這種微生物既要耐得住高温，還要能降解塑料。

熱纖梭菌，是一種常年生長在五六十攝氏度高温中的厭氧細菌。

由於體內的纖維小體是一種高效降解木質纖維素的超級分子機器，熱纖梭菌已經被開發成高效降解農林廢棄物的利器。

科學家將來自枝葉堆肥元基因組的嗜熱角質酶LCC在熱纖梭菌中進行異源表達，建立了具有PET降解功能的嗜熱全菌催化劑。

這種全菌催化劑可以在60℃條件下，兩週內降解掉60%的商業化PET塑料。

除此之外，熱纖梭菌可以天然高效降解木質纖維素，因此，基於熱纖梭菌的全菌催化策略還有望在纖維素和聚酯纖維的紡織混合品廢棄物的回收利用中發揮出巨大的應用潛力。

相對於陸地，海洋環境更加複雜。

海洋是全球塑料垃圾的最大聚集地，但許多已知的PET降解微生物並不能適應海洋環境。

科學家在海洋中找到一種名為三角褐指藻的單細胞硅藻，它可以在鹽水環境中利用二氧化碳快速生長。

三角褐指藻常被作為一種優質的水產蛋白餌料，富含多不飽和脂肪酸，也是微藻生物柴油的重要來源。

通過遺傳改造，三角褐指藻被打造成高產PET降解酶PETase的細胞工廠。

三角褐指藻通過異源表達PETase, 將PET降解為可溶性單體。

可溶性單體回收後可以重新用來合成新的PET材料，形成一種閉環的塑料回收利用策略，在海水污染的治理中顯示出巨大優勢。

當下針對各類塑料的降解研究如火如荼，越來越多的微生物和酶被選中並訓練成出色的獵手，幫助我們"吃掉"塑料垃圾。

自塑料誕生起，人類與塑料已經走過了愛恨交織的一個多世。

而人類要想真正掌控住自己發明的技術，接下來的道路還很漫長。

參考文獻

[1] Bombelli P , Howe C J , Bertocchini F . Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella[J]. Current Biology, 2017, 27(8):R292-R293.

[2] Bornscheuer U T . Feeding on plastic[J]. Science, 2016, 351(6278):1154-1155.

[3] Browne, M. A., P. Crump, S. J. Niven, E. Teuten, A. Tonkin, T. Galloway and R. Thompson (2011). "Accumulation of microplastic on shorelines woldwide: sources and sinks." Environ Sci Technol 45(21): 9175-9179.

[4] Collignon, A., J. H. Hecq, F. Galgani, F. Collard and A. Goffart (2014). "Annual variation in neustonic micro- and meso-plastic particles and zooplankton in the Bay of Calvi (Mediterranean-Corsica)." Mar Pollut Bull 79(1-2): 293-298.

[5] Doi R H, Kosugi A. Cellulosomes: plant-cell-wall-degrading enzyme complexes[J]. Nature Reviews Microbiology, 2004, 2(7):541-51.

[6] Grégory Francius, Tesson B , Dague E , et al. Nanostructure and nanomechanics of live Phaeodactylum tricornutum morphotypes[J]. Environmental Microbiology, 2008, 10(5).

[7] Kawai, F., T. Kawabata and M. Oda (2019). "Current knowledge on enzymatic PET degradation and its possible application to waste stream management and other fields." Appl Microbiol Biotechnol 103(11): 4253-4268.

[8] Moore, C. J. (2008). "Synthetic polymers in the marine environment: a rapidly increasing, long-term threat." Environ Res 108(2): 131-139.

[9] Sussarellu, R., M. Suquet, Y. Thomas, C. Lambert, C. Fabioux, M. E. Pernet, N. Le Goïc, V. Quillien, C. Mingant, Y. Epelboin, C. Corporeau, J. Guyomarch, J. Robbens, I. Paul-Pont, P. Soudant and A. Huvet (2016). "Oyster reproduction is affected by exposure to polystyrene microplastics." Proc Natl Acad Sci U S A113(9): 2430-2435.

[10] Wong, J. K. H., K. K. Lee, K. H. D. Tang and P. S. Yap (2020). "Microplastics in the freshwater and terrestrial environments: Prevalence, fates, impacts and sustainable solutions." Sci Total Environ 719: 137512

[11] Yoshida, S., K. Hiraga, T. Takehana, I. Taniguchi, H. Yamaji, Y. Maeda, K. Toyohara, K. Miyamoto, Y. Kimura and K. Oda (2016). "A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)." Science 351(6278): 1196-1199.