用微生物解決塑料危機，這種方法是否真正可行？

編者按：隨著全球塑料污染問題日益嚴重，科學家們一直在尋找有效的解決方案。最近，利用微生物降解塑料的新方法引起關(guān)注。這篇文章來自編譯，作者通過探討一種啃食塑料的細菌的發(fā)現(xiàn)過程，系統(tǒng)闡述了微生物降解塑料的科學原理、工業(yè)化進程及應(yīng)用前景，指出這種天然的生物方法可能會成為解決白色污染的關(guān)鍵。

垃圾場里的意外發(fā)現(xiàn)：一種能降解塑料的新型細菌

2001 年，日本的一個科學家團隊在一個垃圾場里的泥土溝渠中，發(fā)現(xiàn)了一個驚人的現(xiàn)象。在滿是泥土和廢物的溝渠里，他們發(fā)現(xiàn)了一層正在“啃食”塑料瓶、玩具和其他雜物的細菌薄膜。當細菌分解這些垃圾時，它們會吸收塑料中的碳作為能量，用于生長、移動和繁殖。雖然這種“進食”方式與我們通常理解的有所不同，但這些細菌確實是在“吃”塑料。

該團隊的負責人是京都工藝纖維大學（Kyoto Institute of Technology）的小田廣平（Kohei Oda）教授。該研究團隊原本在尋找可以軟化合成纖維的物質(zhì)，例如同樣也是塑料的用于制造大多數(shù)飲料瓶的聚酯纖維。小田教授是一位微生物學家，他認為微生物是自然界中的“工程師”，能夠解決各種科學問題。他曾對我說：“仔細觀察自然界，你經(jīng)常都會有非常好的發(fā)現(xiàn)。”

小田教授和他的同事在垃圾場里發(fā)現(xiàn)的是一種從未見過的細菌。他們原本希望發(fā)現(xiàn)一種能夠分解塑料表面的微生物，但這些細菌所做的遠不止于此——它們似乎正在完全分解塑料，并將其轉(zhuǎn)化為基本營養(yǎng)物質(zhì)。從我們對塑料污染規(guī)模的認識來看，這一發(fā)現(xiàn)的潛力似乎是顯而易見的。但事實上，“微塑料”這一詞首次出現(xiàn)于 2004 年。因此，小田教授稱，在當時的 2001 年，這個發(fā)現(xiàn)并沒有“被視為一個極為有趣的話題”。該團隊關(guān)于這種細菌的初步論文也從未發(fā)表。

自該團隊發(fā)現(xiàn)這種能夠分解塑料的細菌以來，塑料污染問題已經(jīng)變得越來越不容忽視。在過去 20 年里，我們已經(jīng)制造出了 25 億噸塑料廢物。另外，現(xiàn)在每年還在產(chǎn)生大約 3.8 億噸塑料廢物，預計到 2060 年這個數(shù)字還將增加兩倍。一個比英國國土面積大 6 倍的塑料垃圾堆坐落在太平洋中部。世界各地的海灘都淤塞著塑料廢物，垃圾填埋場也堆滿了這些廢物。在微觀角度來看，微塑料和納米塑料顆粒已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)存在于水果和蔬菜中，它們可以通過多種途徑進入這些食物。其中，植物根系吸收是主要途徑。此外，它們也被發(fā)現(xiàn)已經(jīng)存在于人體幾乎所有器官中，甚至可以通過母乳在母嬰之間傳遞。

目前的塑料分解或回收方法仍然存在明顯的不足之處。大多數(shù)塑料回收需要經(jīng)過粉碎和研磨，這會使塑料的纖維起毛和斷裂，導致其質(zhì)量降低。與之相比，玻璃或鋁制容器可以無限次熔化和重塑。塑料水瓶在回收過程中都會發(fā)生降解?；厥蘸蟮乃芰掀繒兂砂唏g的袋子，再變成纖維絕緣材料，最后成為路面填料，直至無法再被回收利用。而這還只是最好的情況?，F(xiàn)實中，只有不到 9% 的塑料會進入回收站。目前唯一的永久處理塑料的方法是焚燒。每年有近 7000 萬噸塑料被焚燒，這會釋放塑料中的碳進入空氣，加劇氣候危機，還會釋放任何可能混合在其中的有毒化學物質(zhì)。

左圖是一種名為“大阪堺菌”的菌株，右圖是它分解塑料后留下的殘留物。圖片來源：Kohei Oda, Kyoto Institute of Technology

自從發(fā)現(xiàn)這種細菌以來，小田教授和他如今已成為教授的學生平賀一浩（Kazumi Hiraga）一直保持著聯(lián)系并進行實驗。2016 年，全球都在迫切尋找應(yīng)對塑料危機的解決方案，當他們最終在《科學》（Science）雜志上發(fā)表關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)的論文后，也引起了不小的轟動。小田教授的團隊將他們在垃圾場發(fā)現(xiàn)的細菌命名為“大阪堺菌”（Ideonella sakaiensis），取名來自于發(fā)現(xiàn)地日本大阪府轄下的堺市（Sakai）。在論文中，他們描述了這種細菌所產(chǎn)生的一種特定酶，使其能夠分解并消化聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），而 PET 是服裝和包裝中最常見的塑料。這篇論文在媒體上得到了廣泛報道，至今已有超過 1000 次科學引用，名列所有論文的前 0.1%。

但真正的希望在于，這不僅僅是發(fā)現(xiàn)了一種能夠分解某種塑料的細菌。在過去的半個世紀里，微生物學——研究小生物體（包括細菌和一些真菌）的學科——經(jīng)歷了一場革命。奧巴馬執(zhí)政期間的白宮科學顧問、美國微生物學會（American Society for Microbiology）前主席喬·漢德爾斯曼（Jo Handelsman）將其描述為自達爾文創(chuàng)立進化論以來可能的最重大的生物學進步。我們現(xiàn)在知道，微生物構(gòu)成了一個龐大的隱藏世界，與我們所處的世界交織在一起。我們目前仍然處在對塑料微生物多樣性的初步認識階段，它們也擁有令人難以置信的能力。許多科學家已經(jīng)表達了對小田教授所持觀點的認同。他們認為，對于我們正在努力解決的一系列看似無法解決的問題，微生物可能已經(jīng)展示出了潛在的解決方案。我們所需要做的，就是去探索它們。

進化中的超級酶：工程微生物加速塑料降解

像小田教授這樣的發(fā)現(xiàn)只是一個開始。如果我們要對人類自己造成的這場全球性的環(huán)境災難抱有任何緩解的希望，那就需要通過細菌來更快、更好地發(fā)揮作用。當小田教授和他的團隊最初在實驗室里測試這種細菌時，他們將其放置在一個含有 2 厘米長、重 0.05 克的塑料薄膜的試管中。在室溫下，它們花了大約 7 周的時間將這種小小的塑料分解成前體物質(zhì)。這一結(jié)果非常令人印象深刻，但對于大規(guī)模的塑料廢物來說，這種速度仍然太慢，不足以產(chǎn)生有意義的影響。

但幸運的是，在過去 40 年中，科學家在工程和操控酶方面取得了非常顯著的進展。樸茨茅斯大學（University of Portsmouth）分子生物物理學教授安迪·皮克福德（Andy Pickford）表示，就分解塑料的大阪堺菌來說，“與這一細菌相關(guān)的特定酶類實際上還處于進化發(fā)展的早期階段?！比祟惪茖W家的目標是在此基礎(chǔ)上繼續(xù)往下研究，使其能夠更快、更有效地分解塑料。

任何生物要分解更大的化合物時，無論是 DNA 鏈、復雜的糖分子，還是塑料，它們都會依賴于細胞內(nèi)的酶。酶是細胞內(nèi)的微型分子機器，專門用于執(zhí)行這一任務(wù)。酶的工作原理是通過在微觀尺度上促進化學反應(yīng)的發(fā)生，有時候通過將反應(yīng)性原子靠近以使它們結(jié)合，或者通過在特定點扭曲復雜分子使其變得脆弱并更容易分解。

如果你想提高天然酶的性能，也有一些幾乎通用的方法。例如，化學反應(yīng)在更高溫度下往往效果更好（這就是為什么要在 180°C 而不是 50°C 的烤箱中烘烤蛋糕）。但大多數(shù)酶在它們所在生物體的環(huán)境溫度下最穩(wěn)定，比如正常情況下 37°C 的人體體溫。通過重寫編碼酶的 DNA，科學家就可以調(diào)整其結(jié)構(gòu)和功能，例如使其在更高溫度下更穩(wěn)定，這將有助于它更快地促進化學反應(yīng)的發(fā)生。

這聽起來像是一種魔力，但實際上也存在許多局限。美國科羅拉多州國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）的研究員伊麗莎白·貝爾（Elizabeth Bell）說：“這通常是兩步前進，一步后退?！边M化本身就涉及權(quán)衡，盡管科學家了解大多數(shù)酶的工作原理，但預測哪些調(diào)整能使它們工作得更好仍然很困難?！盎谶壿嬙O(shè)計的方法往往效果不佳，所以我們必須采用其他方法?！必悹栄a充說。

越南某個被塑料污染的紅樹林沼澤。圖片拍攝于 2018 年。圖片來源：Nhac Nguyen/AFP/Getty Images

貝爾的研究重點是一種由大阪堺菌產(chǎn)生的用于降解 PET 塑料的酶。她采用了一種“暴力”的手段來強化天然進化，該方法直接作用于塑料的酶區(qū)域，使用基因工程對其進行所有可能的突變。在野外，細菌在細胞分裂的過程中，每隔幾千次分裂，可能才會發(fā)生一次酶的突變。貝爾通過這種方法，確保自己能夠獲得數(shù)百上千個潛在有益的突變體來進行測試。她將每個突變體的降解塑料能力進行測量，任何顯示出哪怕是微小改進的候選物都會進一步進行突變。貝爾所在的國家可再生能源實驗室研究小組負責人格雷格·貝克漢姆（Gregg Beckham）將其稱為“對酶進行非常徹底的進化”。去年，貝爾發(fā)表了她工程化的一種PETase酶的最新研究成果，該酶的降解PET的速度比原始酶快了數(shù)倍。

然而，將酶打造成符合我們目的的工具，并非僅僅是科學家不斷調(diào)整、直到獲得完美工具的問題。在 2016 年小田教授團隊的論文發(fā)表之前，我們甚至不知道世界上存在能夠消化塑料的細菌?，F(xiàn)在，我們有了確鑿的證據(jù)。考慮到我們目前僅探索到微生物生命的一小部分，可能還存在更出色的候選物。用工程術(shù)語來說，我們可能正試圖用豐田致炫（Yaris）發(fā)動機追求頂級賽車的性能，而尚未被發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域可能存在細菌界的法拉利。貝克漢姆表示：“我們一直在苦苦掙扎的問題是，我們是應(yīng)該回歸到自然界中不斷搜索，看看自然界是否存在解決方案？還是應(yīng)該將我們已經(jīng)掌握的微小立足點帶回實驗室進行深入研究？”

這一問題也引發(fā)了所謂的“生物勘探”熱潮。生物勘探者就像在河里淘金的人一樣，環(huán)游世界尋找有趣和潛在價值的微生物。2019年，韓國光州教育大學（Gwangju National University）的一個團隊來到城外的市政拉機場，在垃圾堆下方 15 米的地方進行鉆探，以探索埋藏在這個垃圾堆下面數(shù)十年的塑料垃圾。通過鉆探，嚴秀進（Soo-Jin Yeom）教授和學生發(fā)現(xiàn)了“蘇云金桿菌”（Bacillus thuringiensis ）的一種細菌變種，這種細菌變種似乎能夠以聚乙烯袋作為食物而存活下來。嚴教授的團隊目前正在研究這種細菌可能使用的酶，以及它是否真的能夠代謝塑料。

在越南和泰國沿海的大片紅樹林沼澤中，樸茨茅斯大學的微生物學家西蒙·克拉格（Simon Cragg）也在尋找其他能夠“啃食” PET 塑料的微生物。他告訴我：“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的塑料降解酶與天然降解植物葉片外層的酶非常相似。紅樹林的根部也有類似的防水涂層，但令人遺憾的是，這些沼澤地中含有大量的塑料?！彼Ｍ切┠軌蚪到饧t樹植物根的細菌也能降解塑料。

邁向未知的微生物世界：DNA 技術(shù)驅(qū)動新的科學發(fā)現(xiàn)

在我們認真研究微生物的約 200 年時間里，微生物一直處于一種“科學監(jiān)禁”的狀態(tài)?？偟膩碚f，微生物主要被認為是需要根除的病原體，或者只是用于一些基本工業(yè)過程（如釀酒或制作奶酪）中扮演可靠的角色。美國微生物學會前主席漢德爾斯曼告訴我：“即使在 40 至 50 年前，微生物學都仍然被視為一門過時的科學。”

上個世紀，隨著物理學領(lǐng)域?qū)⒃臃至讶〉弥卮筮M展，生物學家也開始對世界上許多植物和動物物種進行分類，而那些研究微小生命領(lǐng)域的科學家則滯后了一步。然而，隱藏在我們視野之外的世界卻出現(xiàn)了引人入勝的跡象。早在 20 世紀 30 年代，微生物學家就開始對野外觀察到的微生物世界與實驗室研究所見不符感到困惑。他們發(fā)現(xiàn)，如果將樣本（比如一滴海水或一抹泥土）放在顯微鏡下觀察，會看到數(shù)百種奇妙而多樣的微生物在其中旋轉(zhuǎn)。但是，如果將同樣的樣本放置在培養(yǎng)皿中的凝膠狀營養(yǎng)培養(yǎng)基上，只有少數(shù)幾個不同的物種能夠存活和生長。當他們嘗試統(tǒng)計培養(yǎng)皿上生長的微生物菌落數(shù)時，與他們剛剛觀察到的放大圖像相比，數(shù)量稀少得可憐。這一現(xiàn)象后來被稱為“平板計數(shù)差異法”。耶魯大學（Yale University）醫(yī)生兼科學史學家威廉·薩默斯（William Summers）表示：“通過顯微鏡，包括后來的電子顯微鏡，你可以看到所有這些發(fā)現(xiàn)。但是這些物種無法在培養(yǎng)皿上生長，而事實上，我們通常都是通過培養(yǎng)皿對其進行特征描述和研究?！?/p>

就像一些稀有野生動物無法在圈養(yǎng)環(huán)境中繁衍一樣，大多數(shù)微生物似乎也不適合在實驗室中生存。因此，科學家只能依賴那些能夠在有限條件下存活的微生物。然而，仍有一些微生物學家試圖擺脫這種局限，探索微生物世界的真正廣度。亞歷山大·弗萊明（Alexander Fleming）于 1928 年發(fā)現(xiàn)青霉素的故事眾所周知：一枚真菌孢子飄蕩在圣瑪麗醫(yī)院的走廊，然后偶然落在弗萊明的培養(yǎng)皿中，其中含有青霉素，后來證明它是 20 世紀最重要的醫(yī)學突破之一。美國羅格斯大學（Rutgers University）的化學家塞爾曼·瓦克斯曼（Selman Waksman）的故事相對較為鮮為人知，但同樣具有重要意義。他創(chuàng)造了“抗生素”（antibiotic）這個術(shù)語，主要起因是他注意到某些土壤細菌產(chǎn)生的毒素能夠殺死或抑制與它們競爭食物的其他細菌。瓦克斯曼不懈地研究如何在實驗室培養(yǎng)野生細菌，他的努力讓他不僅在 1946 年生產(chǎn)出第二種商業(yè)化抗生素鏈霉素，還帶來了隨后推向市場的其他五種抗生素。最終，在土壤中尋找產(chǎn)生抗生素的微生物，也證實比等待它們飄進實驗室更有效。如今，約 90% 的抗生素都是源自瓦克斯曼最初發(fā)現(xiàn)的那類細菌。

倫敦達根納姆（Dagenham）某個回收廠中的塑料瓶堆。圖片來源：Dan Kitwood/Getty Images

大約 25 年前，科學界普遍認為地球上可能存在的微生物物種數(shù)量不到 1 億種。然而，在過去 10 年的一系列新研究中，這一估計數(shù)字高達 1 萬億，其中絕大多數(shù)至今仍未被發(fā)現(xiàn)?？茖W家們還在我們的身體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了微生物，它們對我們的免疫力甚至情緒都具有影響。在深海中，科學家們還發(fā)現(xiàn)了生存在噴涌的熱液口中的微生物。在原油儲層中，他們還發(fā)現(xiàn)了能夠進化出分解化石燃料的微生物。總之，隨著我們的調(diào)查越來越深入，我們將會有越來越多的令人驚奇的發(fā)現(xiàn)。

微生物的適應(yīng)能力使它們成為我們在動蕩時代的理想伴侶。它們以驚人的方式和速度進化，其速度甚至會讓達爾文和他那個時代的人感到震驚。其部分原因是它們可以快速分裂，數(shù)量可達數(shù)十億；另一個原因是它們可以利用更復雜生命形式所不具有的進化技巧，比如個體間快速交換 DNA。它們已經(jīng)找到了在極端環(huán)境中繁榮發(fā)展的方法。而在當今這個歷史性的時刻，人類正在全球范圍內(nèi)以驚人的速度創(chuàng)造更多極端環(huán)境。當其他動物和植物無法進化出足夠快的解決方案來趕上其不斷變化的棲息地時，微生物正在迅速適應(yīng)。它們在酸化的水中繁殖，并被發(fā)現(xiàn)可以分解我們排放到自然界的一些腐爛化學物質(zhì)。正如小田廣平教授所說，它們正在為我們自己制造的許多問題提出它們的解決方案。

細菌酶引領(lǐng)塑料回收工業(yè)化：減排與循環(huán)利用的雙豐收

發(fā)現(xiàn)新微生物并在實驗室對其進行改造是第一步，但科學家們知道，最終將其應(yīng)用于“現(xiàn)實世界”或“工業(yè)領(lǐng)域”可能是一個難以實現(xiàn)的目標。對于“啃食”塑料的微生物而言，這一目標已經(jīng)實現(xiàn)。自 2021 年以來，一家名為 Carbios 的法國公司每天就能使用細菌酶處理約 250 公斤的 PET 塑料廢物。該公司的技術(shù)可以將 PET 塑料分解為前體分子，然后直接制成新塑料。雖然這項技術(shù)尚未完全實現(xiàn)讓塑料回歸自然，但 Carbios 公司已經(jīng)實現(xiàn)了塑料回收的終極目標，使其更接近像玻璃或鋁這樣無限循環(huán)再生的材料。

Carbios 公司位于法國克萊蒙費朗（Clermont-Ferrand）的一處低矮工業(yè)設(shè)施內(nèi)，就在第一家米其林輪胎工廠的原址上。但在內(nèi)部，它看起來不像惡臭的舊工廠，反倒更類似一個城市“釀造廠”。加工后的塑料廢物儲存在巨大的鋼制發(fā)酵罐里。管道中傳來液體流動的聲音，但沒有任何氣味。來自回收站的臟塑料堆放在一堆堆的大包裝中，等待著進一步加工再利用。

首先，塑料會被粉碎成碎片，然后通過一臺類似巨型壓印機的機器，將其冷凍并在高壓下擠壓通過一個細小的出口。這些塑料會以顆粒的形狀彈出，它們被稱為塑料米粒，大小與玉米粒相當。在微觀層面，塑料米粒的密度遠低于塑料化學家所說的原始“結(jié)晶”狀態(tài)。組成塑料的纖維原先緊密纏繞，形成光滑堅固的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；現(xiàn)在，這些纖維雖仍完整，但間距變大了，這也為酶創(chuàng)造了更大的作用面。

在野外，細菌會產(chǎn)生有限數(shù)量的能夠降解塑料的酶，以及許多其他酶和廢物。為了加速這一過程，Carbios 公司付費讓一家生物技術(shù)公司從細菌中提取和濃縮大量純凈的、可降解塑料的酶。然后，該公司的科學家會將塑料米粒放置于一個高數(shù)米的密封鋼制容器中，其中裝有水和酶的溶液。在相鄰的實驗室里，你可以在較小的容器中觀察和研究其反應(yīng)。在容器內(nèi)，灰白色的塑料米粒像雪球中的雪花一樣旋轉(zhuǎn)著。隨著時間的推移，塑料會逐漸分解，其組分會溶解在溶液中，最后只剩下在玻璃容器中翻滾攪動的帶有灰色色調(diào)的液體。此液體現(xiàn)在不再含有固體 PET，而只含有兩種被稱為乙二醇和對苯二甲酸的液體化學物質(zhì)，它們可以提取出來制成新的塑料。

Carbios 公司研發(fā)的這種技術(shù)似乎可以輕松實現(xiàn)規(guī)?；赡昵?，該公司僅能在實驗室規(guī)模下回收幾千克塑料；現(xiàn)在，他們每天都能處理約 250 公斤的塑料。2025 年，該公司還將在與比利時接壤的邊境地區(qū)新設(shè)一個更大的工廠，日處理量將達到 130 噸以上。

斯里蘭卡城市 Panagoda 某塑料回收廠的工人正在整理回收塑料瓶制成的塑料芯片。圖片來源：Ishara S Kodikara/AFP/Getty Images

法國之所以已經(jīng)建成了利用細菌技術(shù)回收塑料的工廠，而美國和中國沒有，是因為法國政府已經(jīng)將塑料廢物作為當務(wù)之急，并設(shè)定了到 2025 年法國使用的所有塑料包裝必須全部是回收利用的目標。雖然環(huán)保人士更傾向于完全停止生產(chǎn)新的塑料，但法國總統(tǒng)馬克龍（Macron）認為，未來幾十年仍將需要一定量的高品質(zhì)新塑料，他還在自己的領(lǐng)英賬號上點名表揚了 Carbios 公司。這種壓力似乎正在見效。無論是歐萊雅（L’Oréal）、雀巢（Nestlé），還是戶外用品制造商所羅門（Salomon），法國一些大型制造商都已經(jīng)和 Carbios 公司簽約，委托該公司去處理其塑料廢物。隨著世界各地政府開始逐步兌現(xiàn)減少塑料廢物的宏偉承諾，更多國家也可能會效仿這種做法。

值得一提的是，這類工廠絕不是萬能解決方案。酶回收過程是一系列非常復雜的生物化學反應(yīng)，隨著規(guī)模的擴大，我們會發(fā)現(xiàn)大自然是無情的“會計師”。如果我們追蹤各種所需投入的資源以及其碳排放，我們會發(fā)現(xiàn)清洗塑料、加熱和冷凍所需的能源成本非常高?；瘜W反應(yīng)本身會使周圍溶液酸化，就像室外游泳池一樣，必須不斷向溶液中添加化學堿以保持接近中性。每次反應(yīng)都會產(chǎn)生數(shù)千克硫酸鈉副產(chǎn)物。硫酸鈉有許多用途，包括制造玻璃和洗滌劑，但是從制造化學堿到運輸硫酸鈉進一步利用，都會增加環(huán)境成本和操作方面的挑戰(zhàn)。

在 Carbios 工廠綜合體一間明亮的會議室里，該公司首席執(zhí)行官埃馬紐埃爾·拉當（Emmanuel Ladent）告訴我，公司當前的回收工藝比生產(chǎn)新塑料減少了 51% 的碳排放量。此外，該工藝還減少了對石油開采的需求，不會凈增加塑料總量。拉當總結(jié)道：“這是非常不錯的開始，但我們希望能做得更好?！?Carbios 公司目前還沒有公開發(fā)布有關(guān)分析數(shù)據(jù)，但幾位熟悉該領(lǐng)域的科學家告訴我，這種回收工藝在理想情況下可以達到減少碳排量一半的效果。

Carbios 公司及其背后的科學家——圖盧茲大學（University of Toulouse）生物學家阿蘭·馬蒂（Alain Marty）和文森特·圖爾尼耶（Vincent Tournier），在這一領(lǐng)域已有 10 多年的研究經(jīng)驗。在小田教授公布其團隊的發(fā)現(xiàn)后，許多其他科學家才開始進行類似的研究。但馬蒂和圖爾尼耶早在 2000 年代中期就開始了這項研究。他們使用了一種不同的酶，即“葉肥酶”（LCC）。這種酶并非是進化來作用于塑料的，但馬蒂和圖爾尼耶認為它有這個潛力。這種酶可以作用于葉蠟涂層，而葉蠟涂層與塑料具有密切相似性。馬蒂最近告訴我：“它的弱點在于不太適合高溫，但不管怎樣，這也是一個好的開頭?！?從過去無數(shù)輪的基因工程來看，這種酶顯然是有效的。

美國國家可再生能源實驗室的研究小組負責人貝克漢姆表示，葉肥酶“確實是一種非常出色的酶”。但他也指出，它仍然存在一些缺陷，比如更喜歡高度加工的塑料，也不是特別擅長在其自身反應(yīng)產(chǎn)生的酸性溶液中工作。貝克漢姆認為，大阪堺菌所產(chǎn)生的酶可能是專門進化用于攻擊塑料的，因此具有更大的改進潛力。當然，科學家之間也存在一定的競爭，因此往往會對競爭對手的工作持懷疑態(tài)度。當我向 Carbios 公司的馬蒂提起貝克漢姆的評論時，他回應(yīng)說：“每當有新的酶出現(xiàn)時，例如最近的大阪堺菌酶，都會引起很大的轟動。我們也會進行測試，但根據(jù)我們的測試，它們的效果并不佳?！痹谘芯咳~肥酶近 20 年后的今天，他仍然對其充滿信心。

微生物降解塑料，潛力無限但道阻且長

高度進化的微生物是否能幫助我們擺脫塑料危機，科學界仍存在爭議。一些科學家認為，這種技術(shù)仍然存在局限性?！蹲匀弧罚∟ature）雜志最近發(fā)表的一篇綜述指出，由于斷裂化學鍵需要消耗巨大能量，許多類型的塑料可能永遠無法高效地進行酶促降解。樸茨茅斯大學的皮克福德教授了解這些局限性，但他認為仍有許多可行的目標。他說：“尼龍難以降解，但仍有可能。聚氨酯也是如此?！?Carbios 公司的科學家們也持類似觀點，他們預計在幾年內(nèi)研發(fā)出尼龍回收工藝。如果這些預測成真，大約四分之一的塑料將實現(xiàn)真正的可回收。如果對所有從理論上可降解的塑料都能找到匹配的酶，那近一半的塑料廢物都可能被利用。

然而，大多數(shù)科學家的目標仍然是利用酶將舊塑料轉(zhuǎn)化為新塑料。這種回收方法從規(guī)模上來講存在局限性，也令人相當沮喪。雖然從經(jīng)濟上講是有意義的，但它仍然會產(chǎn)生塑料并消耗能源?；厥针m然可以減緩新塑料的生產(chǎn)，但卻無法收回已經(jīng)釋放到自然環(huán)境中的大量塑料，其中大部分仍然過于分散、難以收集，并造成嚴重污染。

目前，我們還沒有發(fā)現(xiàn)能夠像分解有機物那樣真正分解未經(jīng)處理的塑料的微生物，這一過程就像在大約一年的時間里將一堆碳（例如人體）分解成僅剩無法降解的骨骼碎片一樣。當科學家在垃圾場的塑料瓶堆或海洋上漂浮的垃圾島上發(fā)現(xiàn)了“啃食”塑料的微生物時，這些微生物最多只算是在輕微地啃食。就像對待剛長牙的嬰兒一樣，如果不對塑料進行軟化和預處理，這些微生物對任何東西都不會產(chǎn)生太大的影響。

但值得一提的是，微生物確實有能力將地球上一些最有毒的毒素無害化，并在此過程中凈化整個環(huán)境。這種方法對于已經(jīng)存在于地球上數(shù)百萬年的化學物質(zhì)最有效，因為微生物已經(jīng)進化出了對這些物質(zhì)的分解能力。例如，在 1989 年?？松郀柕纤固枺‥xxon Valdez）石油泄漏事件中，大部分原油的清除工作都是由天然的可分解石油的細菌完成的。為促進這些細菌的生長，人們沿海岸線施撒了近 5 萬公斤氮肥。同樣，在 2012 年倫敦奧運會開賽前，為了清理斯特拉特福（Stratford）一個用作奧林匹克公園的工業(yè)污染區(qū)，負責清理該場地的委員會將超過 2000 輛裝滿受石油和其他化學物質(zhì)污染的土壤運送到了其他地點，然后在那里向土壤中注入將氮氣和氧氣，這個過程持續(xù)了數(shù)周時間，以此促進細菌的生長和繁殖，從而消耗土壤中的毒素。隨后，這些土壤又被運回斯特拉特福，用于建造奧林匹克公園。

是否可以用同樣的方法來解決環(huán)境中的塑料問題？目前，人們對這一問題的關(guān)注和投入遠遠少于提高回收效率的潛力。西班牙馬德里國家生物技術(shù)中心（National Biotechnology Centre）的科學家維克多·迪洛倫佐（Victor di Lorenzo）說：“￥無論是二氧化碳還是塑料廢棄物，清理它們都沒有市場驅(qū)動力?；厥账芰鲜怯型顿Y回報的。但對于更大規(guī)模的項目，誰來買單呢？這些項目將造福于整個社會。只有公共支持才能解決這個問題。”

除了市場方面的問題，還存在法律方面的障礙。在大多數(shù)國家，如果沒有特殊許可，經(jīng)基因改造的微生物通常都不允許釋放到環(huán)境中。這種許可極難獲取，其原因也很明顯。在 1971 年出版的科幻小說《59 號突變體：塑料吞噬者》（Mutant 59: The Plastic Eater）中，一種能瞬間融化塑料的病毒在全世界蔓延開來，導致許多飛機墜毀和房屋坍塌。雖然在真實世界中可降解塑料的細菌都不太可能有這樣的能力，但不可否認的是，擾亂微生物的確可能會帶來災難性的后果。

不過，在迪洛倫佐眼中，這項工作的危險性極小。他指出，人們最初抵制轉(zhuǎn)基因生物，是因為科學家傲慢自大，似乎一切都與支配自然和獲利有關(guān)。但他認為，我們有機會重新展開這項對話，在科學和自然界之間建立新的合作伙伴關(guān)系。如果我們誠實地向公眾闡述，他們可以決定是否值得承擔其中的風險。

與微生物建立更深層次的伙伴關(guān)系前景無限。歐盟已經(jīng)向多個團隊提供了資助，支持他們開發(fā)可以將塑料轉(zhuǎn)化為可完全生物降解材料的微生物和酶。去年，德國的一個團隊成功將大阪堺菌的 PET 酶轉(zhuǎn)移到海洋藻類中，并指出未來可以利用這種藻類來降解海洋中的微塑料。

小田教授深信，我們對微生物降解塑料的能力還知之甚少。20 年前，他和同事在垃圾場發(fā)現(xiàn)大阪堺菌時，它并非在單獨工作。小田教授稱：“當我看到微生物薄膜覆蓋在塑料上時，我就知道有許多微生物在協(xié)同工作?！彼膱F隊意識到，在大阪堺菌將塑料分解為具有工業(yè)價值的前體物質(zhì)時，還有其他微生物在進一步將這些前體物質(zhì)咀嚼成微生物群落可以利用的簡單營養(yǎng)物質(zhì)。這些微生物之前存在共生關(guān)系，在某種程度上，它們是合作伙伴。自此以后，小田教授還在幾篇論文中指出，可以將微生物群落開發(fā)成從土壤中消除微塑料和納米塑料的系統(tǒng)。但他的研究幾乎沒有引起任何關(guān)注。

在我們的交流中，小田教授反復感嘆，想將他和同事的發(fā)現(xiàn)商業(yè)化的人缺乏真正改變世界的眼光。人們對能夠?qū)⑴f塑料轉(zhuǎn)化為新塑料的工廠異常興奮，而對于一個能夠?qū)⑺芰现匦罗D(zhuǎn)變?yōu)樗涂諝獾墓S，興趣似乎就少得多了。

譯者：俊一

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