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塑膠汙染的問題日益嚴峻。除了減少浪費、迴圈利用等耳熟能詳的措施之外，科學家還為我們找到了一個得力的盟友——微生物。有些微生物已經演化出了“吃掉”一些塑膠的能力，或許很快就能協助我們減少塑膠垃圾，建設更加綠色的迴圈經濟。
環顧四周，從你正在使用的手機、電腦，到身上穿的衣服、鞋子，再到房間裡的食品包裝、生活用品、家電……它們大多含有塑膠。這種有機高分子材料早已成為了絕大多數現代人生活的一部分。自上世紀50年代以來，全球塑膠產量幾乎每年都在增加，在2020年達到了3.67億噸之巨。但是，大部分塑膠在完成使命之後，卻沒有得到妥善的處理。研究估計，從1950年到2015年，人類已經生產了83億噸塑膠，其中63億噸變成了垃圾，而在這其中只有約6億噸（9%）被回收使用，其餘小部分被焚燒，大部分都被填埋或進入了自然環境。
焚燒塑膠垃圾會產生有毒的汙染物，而暴露在自然風化條件下的塑膠很難像其它垃圾一樣降解——從聚合物變成單體。遍佈全球的塑膠垃圾殺死了大量的鳥類、魚類和其它多種動物等，它們還持續釋放著新增劑，並變成微塑膠飄散到世界的每一個角落。
由於塑膠在很多方面都有不可替代的價值，我們不能一刀切地禁止塑膠的生產。例如，塑膠瓶比玻璃瓶輕得多，所以運輸塑膠瓶需要的能量更少，釋放的溫室氣體也更少。但是，我們需要對處理塑膠垃圾的方式進行一場革命，而微生物或許可以幫我們一個大忙。
盛宴招徠的食客
2016年，日本京都工藝纖維大學（Kyoto Institute of Technology）微生物學家織田小平（Kohei Oda）的研究團隊報告了一個突破性的發現。他們考察了大阪府堺市的一家塑膠瓶回收站，在被PET塑膠汙染的沉積物和廢水樣本中，發現了一種新的可以以PET作為主要營養來源的細菌——大阪堺菌（Ideonella sakaiensis 201-F6）。
PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）是飲料瓶和合成纖維的常用材料，由乙二醇和對苯二甲酸聚合而成的長鏈分子。由於這種物質在自然界中並不存在，絕大部分微生物也就不具備分解這類塑膠的能力。在自然環境下，這種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“大卸八塊”，得益於它能產生2種獨特的酶。PET酶將長鏈的PET分子分解成更小的單羥乙基對苯二甲酸酯（MHET），MHET酶能將MHET分子進一步分解為乙二醇和對苯二甲酸。也就是說，大阪堺菌可以完全逆轉PET的形成過程。
大阪堺菌降解PET塑膠的過程。（圖片來源：G.Mannaerts/Wikipedia）
其實，最晚在20世紀90年代初就已經有了關於微生物降解塑膠的發現。這些發現可能沒有那麼引人關注，因為這些微生物只能“吃”化學結構不那麼堅固的塑膠。但到了2000年，科學家發現了可以對付更硬塑膠的酶。到2015年前後，科學家發現了大量的塑膠降解酶。
那麼，大阪堺菌的發現為什麼引起了轟動呢？英國朴茨茅斯大學的結構生物學教授約翰·麥吉漢（John McGeehan）說：“這種微生物的獨特之處在於，它可以把塑膠作為唯一的食物來源。這實際上相當令人意外，在某種程度上顯示了演化壓力的作用。如果你是垃圾堆中第一個對塑膠產生興趣的細菌，那麼你一下子就有了無限的食物來源。”
換句話說，那些之前發現的酶並不是為降解塑膠演化的，它們只是演化出了可以分解生物體中堅固的長鏈分子的能力，降解塑膠是一種附帶功能而已。相比之下，大阪堺菌的酶是專門針對降解塑膠而演化的。
大阪堺菌（左）和其降解後的的塑膠殘留物（右）。（圖片來源：Kyoto Institute of Technology）
有證據表明，世界各地的微生物正在演化出降解塑膠的能力。一項發表於2020年的研究發現了一種土壤細菌，它能夠以對大部分細菌有毒的聚氨酯為食。2021年的一項研究發現，在塑膠汙染嚴重的地區，微生物更有可能含有具有降解塑膠能力的酶。
塑膠的迴圈經濟
2018年，麥吉漢和同事們針對大阪堺菌做了進一步的研究。他們描述了大阪堺菌形成的PET酶的三維結構，以揭示它的工作原理。為了解這種酶的演化過程，他們對其結構進行微調。意外的是，這竟然使它的工作效率提高了！顯然，這種酶還有改進的空間。
朴茨茅斯大學酶創新中心主任約翰·麥吉漢。（圖片來源：University of Portsmouth/Stefan Ventur/PA）
麥吉漢繼續嘗試改良這種PET酶和其他類似的酶，使它們能夠在工業規模上降解塑膠垃圾。2020年，麥吉漢的團隊報告稱，他們將PET酶和MHET酶連在一起，形成了一種“超級酶”，它降解PET的速度比這兩種酶單獨工作的速度快6倍。與此同時，其他一些研究團隊也對這種酶進行了不同程度的改良。
這些酶可以在分子水平上分解塑膠，而分解後的產物可以重新制造出高質量的塑膠。相比之下，其他的回收方式都會導致塑膠質量逐步下降，直到最終的產物無法再回收，只能被填埋或焚燒。所以至少在理論上，使用酶回收塑膠是真正的迴圈經濟。
一些團體正在嘗試將這類塑膠回收技術商業化。2021年9月，法國的生物技術公司Carbios在克萊蒙費朗開設了一個試點工廠，將在那裡測試一個PET回收系統。他們使用了一種在堆肥中發現的酶，並對其進行了改造，使其工作速度更快，能在更高的溫度下工作。
在2021年7月發表的一項研究中，麥吉漢和同事估計了用酶回收PET再加工的成本，發現其可以與以化石燃料為原料的常規PET製造方法競爭。“我認為在未來的五年裡，我們將在各地看到示範工廠。”麥吉漢說。
不過，酶的作用有限度的。德國亞琛大學的應用微生物學家拉爾斯·布蘭克（Lars Blank）指出，當塑膠被加熱軟化時，酶的工作效果最好。這意味著把酶投入到自然環境中作用不大，因為它們只有在溫度可控的反應堆中才能真正發揮作用。
我們需要對製造和使用塑膠的方式進行變革，使塑膠產品更加便於回收利用。比如，避免使用多種塑膠或者將塑膠與其他材料融合的設計，因為它們將難以回收。
充斥著塑膠的環境促使微生物演化出分解塑膠的酶，先進的科學技術將它們改造得更加強大。但是，酶能參與的只是治理塑膠汙染的一個環節中的一部分。製造更易回收的塑膠產品、減少不必要的使用、在使用後進行分類回收……這些更為關鍵的步驟，都要靠我們人類自己完成。
撰文：邁克爾·馬歇爾（Michael Marshall）
編譯：鄭昱虹
審校：clefable
引進來源：theguardian
本文來自：中國數字科技館
