塑料垃圾問題復雜而嚴峻，當你看到海龜肚子里的塑料碎片和幽靈漁具下的動物尸骸，這個問題更顯觸目驚心。

　　許多組織正努力嘗試減少污染。除了開展回收等傳統(tǒng)的解決方案，人類驚訝地發(fā)現(xiàn)自己身邊還有微生物幫手——少數(shù)微生物已經(jīng)進化出“吃掉”某些塑料的能力，能將高分子塑料分解成小分子。這些微型“塑食”者很快就將在減少塑料垃圾和建立更綠色的經(jīng)濟方面發(fā)揮關鍵作用。

　　塑料垃圾的處理需要一場革命

　　根據(jù)歐洲塑料協(xié)會（PE）的數(shù)據(jù)，2020年的全球塑料產(chǎn)量為3.67億噸，相比2019年的3.68億噸略有下降，這可能是新冠大流行的緣故，實際上，自20世紀50年代以來，塑料產(chǎn)量幾乎每年都在增加。2017年的一項研究估計，人類總共制造了83億噸塑料，相當于10億頭大象。

圖中的志愿者正在秘魯利馬的一個海灘收集塑料垃圾圖中的志愿者正在秘魯利馬的一個海灘收集塑料垃圾

　　根據(jù)世界銀行的統(tǒng)計，2016年全球產(chǎn)生了2.42億噸塑料垃圾，雖說“僅有一小部分最終進入了海洋”，但“海洋每年仍可能吸收超過1000萬噸塑料”。

　　除了塑料本身的危險，塑料所含的大量會滲入水中的添加劑也令人擔憂。

　　丹麥羅斯基勒大學的蒂芙尼·拉莫斯（Tiffany M。 Ramos）表示：“隨著時間推移，我們真的不知道這些情況會帶來怎樣的影響。”

　　刨除流入海洋的部分，其余大部分最終歸于垃圾填埋場。這聽起來似乎沒那么糟糕，但要知道那里頭有很多都是一次性塑料——或者說，“浪費資源和影響環(huán)境”的塑料。

　　塑料的生產(chǎn)需要從地下開采石油等化石燃料，這會帶來各種污染風險，還釋放溫室氣體。2021年的一份報告指出，僅美國的塑料相關產(chǎn)業(yè)每年就制造2.32億噸溫室氣體，相當于116座燃煤電廠的排放量。

　　解決問題的方法并非完全停止使用塑料，因為它們在人類生產(chǎn)生活中發(fā)揮著至關重要的作用。舉一個辯證的例子：塑料瓶比玻璃瓶輕得多，因此運輸它們所消耗的能源更少，釋放的溫室氣體也更少。

　　但無論如何，我們需要圍繞塑料廢棄物的處理方式進行一場革命，而前文提到的“塑食”微生物正是這場革命的核心干將。

　　始于垃圾堆，發(fā)現(xiàn)水解酶

　　2016年，由日本京都工藝纖維大學微生物學家小田耕平（Kohei Oda）領導的研究團隊報告了一個令人欣喜的發(fā)現(xiàn)：一種以PET塑料殘骸為食的細菌，并將其命名為Ideonella sakaiensis。

　　常被用于電器、包裝、紡織等領域的PET全名叫聚對苯二甲酸乙二醇酯，與大多數(shù)塑料一樣，是一種由無數(shù)小分子單元聚合而成的長鏈高分子材料。

　　鏈中的每對相鄰單元之間都以牢固的共價鍵綁定，如同連環(huán)鐵索；鏈和鏈之間又以復雜的分子間作用力相互吸引，就好像數(shù)不清的鐵鏈相互纏繞。因此PET塑料難以降解，擁有恒久遠和永流傳的屬性——人類也正因此而“當初用時好喜歡，如今用完嫌它煩”。（參考我們對礦泉水瓶和塑料袋的態(tài)度。）

　　小田耕平團隊采集了被PET污染的沉積物和廢水樣本，并對它們進行篩選，以尋找可在塑料上生長的微生物，最后發(fā)現(xiàn)了Ideonella sakaiensis 201-F6這一新的細菌菌株。它們能在PET碎片上生長，還會以PET作為主要營養(yǎng)來源——也就是能高效地降解它。

圖中的中年男子正分類回收塑料瓶圖中的中年男子正分類回收塑料瓶

　　Ideonella sakaiensis 201-F6的塑食能力源于它制造的一對酶：PET水解酶（PETase）和MHET水解酶（MHETase）。

　　前者負責將長PET的長鏈分子分解成小分子MHET，即對苯二甲酸單乙二醇酯；后者接著把MHET水解為乙二醇和對苯二甲酸。PET正是由乙二醇和對苯二甲酸合成、縮聚而來，而這整個水解過程相當于PET制造過程的逆向版本。

　　歷史上尋找微生物塑食者的蹤跡

　　新發(fā)現(xiàn)很快成為世界各地的頭條新聞，但它并非首個有機生命降解塑料的例子。

　　關于微生物塑食者的報道至少可以追溯到20世紀90年代初期。當然，塑食主義先驅沒收獲大家青睞，因為它們只能吃下化學結構不穩(wěn)定或本就可生物降解的塑料。

　　到21世紀初，研究人員發(fā)現(xiàn)了能消化更堅硬塑料的酶。該領域的杰出學者、來自萊比錫大學的沃爾夫岡·齊默爾曼（Wolfgang Zimmermann）領銜的團隊研究了一種叫作角質(zhì)酶的微生物酶——來源于包括Thermobifida cellulosilytica等在內(nèi)的一部分擁有分解PET能力的細菌。

　　2012年，德國亞琛工業(yè)大學的拉斯·布蘭克（Lars Blank）在首度聽聞角質(zhì)酶及其創(chuàng)造者的故事后，著手創(chuàng)建了一個科學家聯(lián)盟，旨在研究“解塑”之酶。此次牽頭，引出了2015—2019年的P4SB項目（“利用惡臭假單胞菌將塑料垃圾變廢為寶”，由歐盟資助）。布蘭克此后又建立了一個名為MIX-UP的項目，歐洲和中國的科學家在其中合作研究。

　　到21世紀10年代中期，科學家已認識很多能降解塑料的酶。

　　意大利沿海海洋環(huán)境研究所的加布里埃拉·卡魯索

　　（Gabriella Caruso）非常清楚這類酶的潛力，他于2015年發(fā)表的一篇評論如此寫道：“塑料的微生物降解是一種很有前途的環(huán)保戰(zhàn)略，它給出了一道不會產(chǎn)生負面后果的塑料廢棄物處理妙策。”

　　那么既然學界早就知曉它們的潛能，為什么Ideonella sakaiensis 201-F6還會引起這么大轟動呢？

　　用英國樸茨茅斯大學教授約翰·麥吉漢（John McGeehan）的話說：“相比于前輩，這顆塑食新星可將塑料作為其唯一的能量和食物來源。這非常令人驚訝，也顯示了進化壓力的作用——如果你是垃圾堆里第一個突然喜歡上塑料的細菌，那么你將擁有無限的食物來源。”

電鏡下的Ideonella sakaiensis（左）和降解的塑料殘骸（右）電鏡下的Ideonella sakaiensis（左）和降解的塑料殘骸（右）

　　換句話說，以前發(fā)現(xiàn)的酶不是圍繞塑料進化而來的，其降解能力更像是一種副產(chǎn)品，而Ideonella sakaiensis 201-F6的酶非常有針對性。

　　不過布蘭克認為Ideonella sakaiensis 201-F6的酶算不上頂級佳作，因為它們只能緩慢地降解PET。“沃爾夫岡·齊默爾曼那時找到的酶要好得多，但這篇新論文引發(fā)的興奮之情帶來了巨大影響。”

　　捷報頻傳，成果豐碩

　　2018年，麥吉漢和同事更進一步，表征了Ideonella sakaiensis 201-F6的PET水解酶的三維結構，闡明其工作原理，更是通過調(diào)整結構提高了酶的降解效率。

　　接下來，麥吉漢繼續(xù)向前突破，試圖修改包括PET水解酶等在內(nèi)的“解塑”酶，使其能以工業(yè)規(guī)模降解原本會留于環(huán)境里的塑料。“我們從政府那里獲得了600萬英鎊的巨額撥款。然后成立了一個名為‘酶創(chuàng)新中心’的專業(yè)機構。”

　　巨額資助已經(jīng)轉化出了一些碩果。

　　2020年，麥吉漢團隊報告稱，他們成功將PET水解酶和MHET水解酶連接在一起，得到了“超級酶”，它食用PET的速度大約為兩種酶分開工作時的6倍。

　　與此同時，其他團隊，例如布蘭克的MIX-UP項目，也生產(chǎn)出了改進版本的酶。

樸茨茅斯大學酶創(chuàng)新中心主任約翰·麥吉漢教授樸茨茅斯大學酶創(chuàng)新中心主任約翰·麥吉漢教授

　　另一方面，有證據(jù)表明世界各地的微生物都在進化出類似能力。

　　2021年10月發(fā)表的一項研究指出，塑料污染程度高的地區(qū)的微生物更有可能產(chǎn)生具備解塑潛力的酶。

　　另一項2020年的研究確定了一種能以聚氨酯的某些成分為食的土壤細菌。

　　（聚氨酯分解時會釋放有毒化學物質(zhì)）。

　　現(xiàn)在的問題就變成了——這些酶在減少塑料污染方面究竟能發(fā)揮多大的作用？

　　微生物“吃”塑料的商業(yè)化

　　——塑料生產(chǎn)的循環(huán)經(jīng)濟成為可能

　　到目前為止，大部分工作都在高校開展，但一些團體正試圖將微生物吃塑料這項前沿技術商業(yè)化。

　　樸茨茅斯大學成立了“塑料革命”（Revolution Plastics）項目，旨在搭建連接學術界和工業(yè)界的橋梁。

　　麥吉漢表示：“我們已經(jīng)宣傳了與可口可樂的聯(lián)合培養(yǎng)博士項目。”

　　麥吉漢還是一個名為BOTTLE的國際研究團隊的成員，該團隊致力于開發(fā)塑料回收和升級再造的新技術，目前正在與大企業(yè)進行商談。

　　眼下走在最前列的商業(yè)化項目由法國生物技術公司Carbios主導運行。

　　2021年9月，Carbios在法國中南部城市克萊蒙費朗開設了一家試點工廠，計劃在那里測試回收PET的系統(tǒng)。該回收系統(tǒng)所用的酶最初于堆肥中發(fā)現(xiàn)，技術團隊對其進行了修改，使其運轉速度更快，并且能在高溫（會讓PET變軟）下工作。

　　這些酶的優(yōu)勢在于它們從分子水平上分解塑料，因此可重新制造出最高品質(zhì)的塑料。相比之下，其他形式的回收導致塑料質(zhì)量緩慢下降，直到最終無法再被回收，只能填埋或焚燒。

　　至少在理論上，酶促循環(huán)/回收稱得上真正的循環(huán)。

　　用拉莫斯的話說：“這就是我們所說的閉環(huán)回收系統(tǒng)。你回收一些舊東西，然后用它制造出同樣質(zhì)量的新產(chǎn)品——迄今為止，只有一小部分塑料以這種方式被回收，但酶可以改變這一點。”

循環(huán)經(jīng)濟盡可能地循環(huán)利用一切循環(huán)經(jīng)濟盡可能地循環(huán)利用一切

　　麥吉漢說道：“我認為在未來5年內(nèi)，我們將在很多地方看到示范工廠。”

　　不過我們也必須清楚，酶的用途終究有限。用拉莫斯的話說：“它永遠不會是一種通用的解決方案，我們不應該指望酶來清理所有塑料垃圾。有些塑料甚至比PET更堅韌。”

　　布蘭克指出，如果可以通過加熱先把塑料軟化，酶的效果會達到最佳。這也意味著當酶處于常規(guī)環(huán)境下，它難以真正發(fā)揮功能。只有在溫度控制的反應器內(nèi)，高效的塑料降解方可實現(xiàn)。因此，海洋塑料的解決方案還是要從減少廢棄物產(chǎn)生的方面入手。

　　這些超級酶能在循環(huán)經(jīng)濟中發(fā)揮重要作用，但關鍵是我們知道在什么地方、以何種方式、多大程度上使用它們。

　　值得一提的是，在2021年7月發(fā)表的一項研究中，麥吉漢和同事估算了PET酶促循環(huán)體系的成本，結果顯示，使用通過酶循環(huán)生產(chǎn)出的PET，相比使用通過傳統(tǒng)化石燃料衍生而來的PET，二者在成本方面可以掰掰手腕。

　　在拉莫斯眼中，解塑之酶最終必定要成為人類塑料革命的一部分，但也只是一部分。同樣重要的是，將塑料產(chǎn)品設計得易于重復使用和回收——這可能意味著避免使用多種塑料或將塑料與其他材料融合的設計，因為復合材料很難回收。