塑料“吞噬者” 產(chǎn)生塑料降解酶也成為發(fā)展塑料降解酶制劑的絕佳候選材料

為減少不可降解塑料的增量，越來越多的國(guó)家開始采取“禁塑令”等措施。但全球每年仍有約1.5億噸塑料垃圾進(jìn)入陸地和海洋環(huán)境。如何幫助地球“消化”海量的不可降解塑料?尋找能“吃”塑料的微生物，成為近年來科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研究員孫超岷團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年攻關(guān)，首次發(fā)現(xiàn)能有效降解聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚乙烯(PE)兩種塑料的海洋微生物菌群和酶——僅需兩周，它們就能將最難降解的PE塑料“吃”成碎片。相關(guān)研究成果發(fā)表于《危險(xiǎn)材料》。

小菌群大作用

塑料是一類高分子聚合物的統(tǒng)稱，包括聚乙烯、聚丙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯和聚氯乙烯等。

2016年，日本京都工藝?yán)w維大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了能有效降解PET塑料的微生物，這一消息讓眾多科學(xué)家為之振奮。

雖然目前許多科學(xué)家正在尋找能有效降解塑料的微生物及酶，但對(duì)最難降解、體量最大的PE塑料，卻一直沒有辦法。

“PE塑料具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，比PET等其他類型的塑料更難降解，而生活中常見的一次性塑料袋、農(nóng)用地膜等幾乎都是PE塑料。研制出有效降解PE塑料的生物制品，對(duì)于消除白色污染至關(guān)重要。”孫超岷在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

微生物無處不在，是否有能“吃”掉PE塑料的微生物?如果有，又該去哪兒找呢?

“全世界的塑料垃圾只有約9%得到回收再利用，其余大部分被焚燒、填埋或直接遺棄在自然環(huán)境中，而海洋正是塑料垃圾最終流向之一。”孫超岷告訴記者。

“百川歸海”，他決定向海洋要答案。“海洋是塑料的主要承載地，相應(yīng)地，很多海洋微生物在與塑料的長(zhǎng)期共存中也進(jìn)化出一系列塑料降解系統(tǒng)，其產(chǎn)生的塑料降解酶也成為發(fā)展塑料降解酶制劑的絕佳候選材料。”

孫超岷進(jìn)一步解釋道，“塑料聚合物主要被生物胞外酶解聚成短鏈或小分子物質(zhì)，隨后轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)徹底氧化。細(xì)菌可產(chǎn)生多種胞外酶降解塑料大分子，如脂酶、解聚酶、酯酶、蛋白酶、角質(zhì)酶、脲酶和脫水酶等。”

“塑料可以轉(zhuǎn)化成微生物自身生長(zhǎng)所需的能源物質(zhì)，微生物最終可以將塑料分解成對(duì)環(huán)境完全無害的二氧化碳、水等產(chǎn)物。”中國(guó)科學(xué)院海洋研究所博士高蓉蓉說。

中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、工程塑料國(guó)家工程研究中心主任季君暉認(rèn)為，“對(duì)于解決塑料增量問題，推行可降解塑料是主要途徑，但對(duì)于解決不可降解塑料的存量問題，運(yùn)用微生物進(jìn)行降解是非常好的研究方向。”

大海撈“菌”

尋找能“吃”掉PE塑料的微生物，可謂大海撈針。

“適者生存，海洋中的微生物適應(yīng)了高鹽、高壓、黑暗等極端環(huán)境，產(chǎn)生了一些陸地環(huán)境無法形成的天然產(chǎn)物，例如具有特殊功能的抗生素和酶等，這些是生物制品非常好的資源庫(kù)。”孫超岷告訴記者。

2016年，在與海洋微生物打了多年交道后，孫超岷帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始了這場(chǎng)也許沒有結(jié)果的尋“菌”征程。

起初，他們?cè)谇鄭u近海受塑料污染較嚴(yán)重的海水浴場(chǎng)采集了上千份塑料垃圾，并對(duì)其中的菌群進(jìn)行培育篩選，然而兩年多的工作幾乎沒有進(jìn)展。就在大家一籌莫展之時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)有一個(gè)菌群能有效定殖在礦泉水瓶壁，這讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)興奮起來。

但菌群中含有很多微生物，并非所有微生物都能分解塑料，在進(jìn)一步剔除“打醬油”的微生物、精準(zhǔn)鎖定能“吃”掉PE塑料的微生物后，孫超岷團(tuán)隊(duì)又耗時(shí)近3年獲得了相應(yīng)的微生物純培養(yǎng)，并人工復(fù)配了能有效降解PE塑料的菌群，最終結(jié)合不同手段找到了降解PE塑料的相應(yīng)酶。

“在篩選能降解PE塑料的微生物的過程中，我們常常幾個(gè)月都在重復(fù)失敗的結(jié)果，最難時(shí)也曾想過放棄，但慶幸的是，我們堅(jiān)持下來了，也正是大量失敗的經(jīng)驗(yàn)促使我們最終得到能‘吃’塑料的菌群，這是一種量變引起質(zhì)變的過程。”高蓉蓉感慨道。

在孫超岷看來，很多研究團(tuán)隊(duì)沒有持續(xù)下去的原因，一方面是塑料作為近百年才出現(xiàn)的新型污染物，自然界的微生物還沒有進(jìn)化出高效降解塑料的成熟系統(tǒng)，篩選起來猶如大海撈針。另一方面，微生物降解塑料的效果短時(shí)間內(nèi)肉眼難以觀察，需要借助特殊的儀器檢測(cè)。

“科學(xué)研究需要持續(xù)坐‘冷板凳’，項(xiàng)目沒有拿到結(jié)果，是很難得到資助的，而對(duì)于有潛力但又有冒險(xiǎn)性的課題，尤其是從‘0’到‘1’的課題，國(guó)家應(yīng)該給予更多資助。”孫超岷表示。

“我們的研究為PE塑料的降解打開了一扇門，但‘登堂入室’后還需開展更多工作。”孫超岷告訴記者，“目前，團(tuán)隊(duì)還在精細(xì)研究酶的結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制，試圖通過突變的方式找到更高效降解PE塑料的酶，并把不同的酶合在一起形成酶系，最終發(fā)展為塑料降解酶制劑。”

此外，孫超岷團(tuán)隊(duì)還在嘗試用不同比例復(fù)配微生物菌群，希望通過調(diào)整不同微生物個(gè)體的比例，提高PE塑料降解效率。

加強(qiáng)學(xué)科交叉

“目前，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的微生物菌群和酶還只能在實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料垃圾的部分降解，距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一段較長(zhǎng)的路要走。”孫超岷坦言。

他希望能研制出塑料降解生物制劑，并在密閉的反應(yīng)器中處理塑料垃圾，對(duì)相應(yīng)的降解產(chǎn)物進(jìn)行回收再利用。“目前所使用的菌群都是常見的微生物，不會(huì)造成生物安全及二次污染問題。”

在孫超岷看來，可降解塑料全面取代傳統(tǒng)塑料之前，后者仍具有一定的生存空間，研制塑料降解生物制品對(duì)解決已經(jīng)形成和未來新增的塑料污染問題具有重要意義。

“消除地球上的白色污染，不能單靠幾個(gè)團(tuán)隊(duì)或幾個(gè)專業(yè)，必須全社會(huì)通力合作，才能突破傳統(tǒng)塑料的降解技術(shù)瓶頸。未來，我們希望能與其他不同學(xué)科的研究團(tuán)隊(duì)共同努力，研制出高效降解塑料垃圾的生物制品。”孫超岷說。

在季君暉看來，利用微生物降解塑料和研制可降解塑料，雖然是兩個(gè)相差較大的領(lǐng)域，但存在互補(bǔ)性。“兩個(gè)學(xué)科需要更多地交叉，未來也一定會(huì)有更多的相互補(bǔ)充。”

“禁塑令”應(yīng)循序漸進(jìn)

目前，全國(guó)絕大多數(shù)省份已經(jīng)發(fā)布塑料污染治理相關(guān)實(shí)施方案或行動(dòng)計(jì)劃。2020年12月1日，《海南經(jīng)濟(jì)特區(qū)禁止一次性不可降解塑料制品規(guī)定》正式實(shí)施，意味著海南正式全面禁止一次性不可降解塑料袋、塑料餐飲具等塑料制品。

但季君暉指出，真正可靠的塑料制品是全生物降解塑料，由于目前各地出臺(tái)的政策缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，致使“部分可降解”塑料混跡市場(chǎng)，更尷尬的是，“全生物降解塑料目前的產(chǎn)量仍無法滿足實(shí)際市場(chǎng)需求”。

他還發(fā)現(xiàn)，“禁塑令”存在一些執(zhí)法“盲點(diǎn)”，對(duì)于在市場(chǎng)“明面”上流通的塑料，監(jiān)管相對(duì)容易，而對(duì)于通過物流手段交易的塑料產(chǎn)品，監(jiān)管起來卻非常困難。

“國(guó)家應(yīng)該盡快統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這樣一方面減少重復(fù)標(biāo)準(zhǔn)制定，另一方面便于統(tǒng)一管理。此外，政策制定還應(yīng)循序漸進(jìn)，不應(yīng)‘一刀切’。對(duì)于超市等渠道銷售的塑料袋等產(chǎn)品價(jià)格，應(yīng)該進(jìn)行一定的干預(yù)，以防過高價(jià)格和利潤(rùn)引起民眾對(duì)禁塑令的抵觸，并滋生廉價(jià)違規(guī)塑料產(chǎn)品的地下交易。”季君暉表示。

標(biāo)簽： 塑料“吞噬者”