科学家们正在全球各地的垃圾场四处搜寻，希望能找到携带有可以分解塑料的酶的细菌、真菌，甚至是昆虫。尽管现在还处于早期阶段，但如果这种生物回收的方式能够提高效率、扩大规模，可能会帮助减轻塑料垃圾问题。
陈晓雪 ｜ 审校
2012年春，一个多云的早晨，费德里卡·贝尔托基尼（Federica Bertocchini）正在西班牙风景如画的北部海岸桑坦德的住处附近照料她的蜜蜂。有个蜂巢“饱受蠕虫困扰”， 这位业余养蜂人说。她说的蠕虫，指的是令人讨厌的蜡蛾幼虫，它们贪吃、极具有破坏性。
贝尔托基尼挑出这些虫子，把它们放进一个塑料袋，然后继续她的养蜂工作。几个小时后当她拿起那个袋子时，她注意到一个奇怪的现象：袋子上布满了小小的孔洞。科学家们发现，蜡蛾幼虫的唾液，可以分解塑料。图源：César Hernández, Spanish National Research Council (CSIC)这位科学家立刻来了兴致。这些饥饿的虫子是嚼烂了塑料，还是改变了塑料的化学构成？她在实验室里进行了快速测试，令人惊讶的是，结果显示是后者：虫子唾液中的某些物质降解了塑料。“从那时起，研究就开始了。”这位曾在西班牙国家研究委员会任职的发育生物学家说道。贝尔托基尼现在是塑料熵（Plasticentropy）公司的联合创始人，该公司是近年来涌现出来的利用仿生技术回收塑料的众多初创公司和研究团体之一。生物回收技术，正如它的名字所显示的，有望为当今问题重重的回收方法提供更有效、更环保的替代方案。科学家们在充斥着塑料污染的垃圾填埋场、汽车废件场等地搜寻，希望找到能够分解塑料的微生物。通过在实验室提升它们降解聚合物的能力，科学家们就可以得到一种回收塑料构成成分的有效方法。然后，他们将使用这些亚单位制造新材料，这样就可以创建一个“无限循环”的回收体系。研究目前还处于早期阶段，找到适合的酶还只是第一步。尽管如此，生物回收技术很可成为解决日益严重的塑料问题的宝贵工具。“全世界各地有数百个团体、数千名科学家正在研究这一问题，这真的非常了不起。”结构生物学家约翰·麦基汉（John McGeehan）表示，他是一名塑料降解领域的顾问，专门从事塑料回收酶的发现和改良设计。塑料回收迫在眉睫。自上世纪50年代塑料大规模制造以来，其产量一直在飙升。据估计，我们每年生产近4.6亿吨塑料，相当于大约230万头蓝鲸的重量。不幸的是，大部分塑料最终被焚烧、掩埋在垃圾填埋场，或被倾倒在自然环境中。难怪塑料已经渗透到这个星球的每一个角落——从深海到两极，甚至雨水中也有塑料颗粒。它也存在于我们的身体中，胎盘、母乳和人类血液中都检测到了它的痕迹；塑料的使用和处理与健康和环境问题息息相关。正如2019年经济合作与发展组织（OECD）给出的数据，大多数塑料都无法回收，甚至一些可以回收的塑料也常常未得到回收。根据上述数据，美国的塑料回收率最低，仅为4%；全球范围内只有9%的塑料得到回收利用。OECD国家包括38个成员国，主要分布在欧洲、北美和亚洲。尽管存在这些问题，人们对塑料的需求有增无减，预计2050年产量将超过10亿吨。主要原因在于塑料很难被替代——这种材料是制造商的最爱：重量轻，易成形，具有几乎无限的可能。鉴于取代所有塑料并不现实，退而求其次的选择是减少来自化石燃料的原料，并更多地回收已经存在的塑料。换句话说，全球塑料回收率需要从目前惨淡的约9%得到大幅提升。低回收率背后的原因有很多，包括：塑料难以分解；回收过程中可能吸收有害化学物质；塑料的种类有成千上万种，每种都有自己的组分、化学添加剂和着色剂。许多类型的塑料不能一起回收。“我们面临着严重的塑料循环问题。”美国俄勒冈州酶回收公司（Birch Biosciences）的合作创始人、合成生物学家约翰·克斯说道。“我们可以回收铝；可以回收纸张；但我们无法做好塑料回收工作。”生物回收技术有望解决塑料回收问题。它使用酶将塑料聚合物分解为其子单位，称为单体（Monomer）。这些单体随后可用于制造新塑料。而酶是生物化学加速反应的主力。“酶的好处在于可以回收单体，”麦基汉说道。“这可能是一个无限循环的过程，因此非常有吸引力。”
在一次小规模演示中，研究人员切开了一层聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜（一种常用于喷雾瓶和饮料瓶的聚合物），并使用堆肥中发现的酶的工程化版本将PET分解为其单体（底部）。其中一些单体被喂给另一种微生物，该微生物可以制造生物聚合物PHA（中）或其中间构件（紫色）。通过一些化学反应，该中间体可用于制造另一种生物聚合物生物聚氨酯（bioPU）（上）。该工艺尚未完全摆脱化石燃料化学品，但已向利用塑料废弃物的新用途迈出了一步。这种方法可以将废旧塑料变成一种宝贵的资源，而不是垃圾来源，加州大学伯克利分校的聚合物科学家徐婷表示。她是2013年《物理化学年度评论》（Annual Review of Physical Chemistry）发表的一篇有关生物合成混合材料的综述的合著者。关于分解塑料的酶的研究最早可以追溯到上世纪70年代，但该领域在2016年焕发了新的活力，当时一个日本科学家团队在《科学》杂志上发表了一篇具有里程碑意义的论文，报道了一种分解塑料的新型细菌。该团队由京都工艺纤维大学的微生物学家小田耕平（Kohei Oda）领导，他们发现一种名为Ideonella sakaiensis 201-F6的微生物将PET塑料（一种广泛用于饮料瓶和纤维的聚酯）作为其能量和食物的主要来源。研究人员在对从大阪郊外一家瓶子回收工厂收集的250个环境样本进行细心筛选时，在一些被捞起的沉积物中发现了这种微生物。进一步的测试表明，Ideonella sakaiensis在六周内几乎可以完全分解PET。此后，科学家们在全球各地都发现了能分解塑料的微生物，包括德国莱比锡一个公墓的堆肥堆上、巴基斯坦首都伊斯兰堡的一个废物处理场里，以及希腊干尼亚被冲到两个海滩的风化碎片中。2021年，一个研究小组对从海洋、北极苔原表土、稀树草原和各种森林等环境中游离DNA中的2亿多个基因进行了大规模分析，发现了3万多种具有分解塑料潜力的酶。然而，发现酶只是第一步。虽然许多正在研究中的酶起效迅速，并且在温和条件下表现出色，但科学家们通常需要做些微调才能提高其性能。例如，麦基汉与科罗拉多州国家可再生能源实验室及其他地方的同事们一起，设计了两种能提高I. sakaiensis塑料降解能力的酶，然后将它们连接在一起，创造出一种混合酶， 可以将PET分解的速度提高了六倍，比以前更快。科学家们还在利用人工智能来增强酶的活性，使其能更快地降解聚合物，对目标底物要求更宽松，并能够承受更广的温度范围。初步数据表明，生物回收塑料产生的碳足迹比重新制造塑料更小。例如，根据2021年的估计，与从头开始制造对苯二甲酸（TPA）相比，使用酶分解PET来获取其单体之一TPA，可以减少高达43％的温室气体排放。当然，PET只是众多塑料的一种。塑料通常根据化学结构等因素分为七类或更多类别。混碳骨架塑料是指中心骨架由碳和其他原子（如氧和氮）交织组成的聚合物。目前，这类塑料最适合生物回收利用，主要因为现有的酶可以打断混碳骨架中的化学键——英国朴次茅斯大学分子生物物理学家安迪·皮克福德（Andy Pickford）称之为“阿喀琉斯之踵”。PET的骨架就是碳与氧交织在一起。PET这类塑料常见于纺织品和汽水瓶，约占每年塑料总产量的五分之一，是生物回收利用的首选目标。例如，法国的Carbios公司计划于2025年在法国北部开设一家生物回收工厂，目标是每年回收5万吨废弃的PET塑料。该公司使用了一种特殊的酶，这种酶最初是在堆肥中发现的，研究人员随后对其进行了改良，以增强其降解PET键合的能力，并能够承受塑料变软和熔化时更高的温度。Carbios公司及其学术合作伙伴图卢兹生物技术研究所（Toulouse Biotechnology Institute）的科学家 2020年在《自然》杂志上表示，这种酶可以在10小时内降解90%的PET。另一家来自澳大利亚的初创公司Samsara Eco，计划于2024年在墨尔本开设一家类似的2万吨工厂，专注于PET的回收。
塑料包括各种聚合物，其中许多都非常难以分解，部分原因在于其组成原子和整体晶体结构之间存在牢固的键合。一般来说，如果聚合物骨架由碳原子和其他原子（如氧原子或氮原子）组成，则塑料更容易分解成可重复使用的单体。具有碳-碳主链的聚合物极其难以分解。与PET拥有类似化学结构的塑料，如聚酰胺和聚氨酯，也是酶回收的潜在目标。皮克福德表示，他在朴次茅斯的团队正在研究这三种类型的塑料。除了PET，Samsara公司还致力于研究尼龙，这是一种常见于织物和纺织品中的合成聚酰胺。今年5月，该公司宣布与知名运动品牌Lululemon建立长期合作伙伴关系，计划从废弃服装中生产“世界上第一款可无限回收”的尼龙聚酯服装。研究人员也在研究聚氨酯，这种塑料年产量约2500万吨，约占全球塑料总产量的8％，在家具垫子、尿布、海绵和运动鞋等泡沫材料中很常见。多种微生物可以降解某些类型的聚氨酯，Birch Biosciences的克斯团队已经针对大约50种不同的聚氨酯降解酶进行测试，但该聚合物的结构比较多样化，可能需要采取不同的策略。尽管酶降解回收对于混合骨架塑料看起来很有前景，但对于那些纯碳骨架的塑料来说，前景就不那么乐观了。这种塑料种类繁多，包括聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯醇（PVA）、聚苯乙烯和聚乙烯，常用于制造无处不在的塑料袋。皮克福德表示，这些塑料的生物降解回收要困难得多。“某种程度来说，它们对于酶有些油腻。酶无法很好地抓住这类塑料的分子。”尽管如此，一些科学家仍在研究这些难降解的塑料，其中包括西班牙的贝尔托基尼。她说：“出于某种原因，我对聚乙烯的塑料袋产生了兴趣。”聚乙烯也常用于食品包装薄膜和外卖盒子，它是目前最大的一类塑料，占每年塑料总产量的25％以上。在偶然发现塑料袋上的破洞十年后，贝尔托基尼和她的塑料熵团队已经分离出了蜡蛾唾液中的塑料降解酶，并将其命名为Demetra和Ceres。这种酶将氧引入碳骨架，室温下几个小时内就能降解聚乙烯。在昆虫体内发现的酶可能是处理这些坚韧塑料的关键。澳大利亚昆士兰大学的微生物学家克里斯·林克（Chris Rinke）主要研究用于外卖盒和一次性餐具的聚苯乙烯。他发现一些昆虫的幼虫口器坚硬，“非常擅长咀嚼物体”，并能将其分解成较小的颗粒。“接着肠道中的微生物就会处理这些颗粒，”林克说道。林克发现了一种名为大麦虫（又称超级蠕虫）的甲虫幼虫，分解聚苯乙烯的过程分成了两步：首先通过机械方式将塑料切割成较小的碎片，通过引入氧原子来“老化”塑料，然后使用特殊的细菌肠道酶降解这些碎片。目前这种酶尚未被鉴定出来。然而，一些专家对生物回收的前景持并不乐观，特别是对于处理难以降解的塑料。皮克福德表示：“我还不确定像聚乙烯、聚丙烯和 PVC 等聚烯烃是否会成为大规模酶法回收的现实目标。虽然有一些有趣的观察，但要将这些转化为工业方法将会极其困难。我希望我的判断是错的。”对于聚氯乙烯（PVC）来说，虽然有一些进展，但目前这种脆性塑料以及其同类的聚乙烯醇（PVA）和聚乳酸（PLA）仍然在大多数情况下难以被酶分解。皮克福德表示，对于这种情况，可能更可行的方法是转向创造可回收的新塑料。然而，新的研究结果仍在不断涌现：2020年，韩国的一个研究团队报道了一种被称为沙雷氏菌的肠道细菌，赋予了一种名为Plesiophthalmus davidis的黑色甲虫幼虫消化聚苯乙烯的能力。另一个研究小组报告称，他们发现了两种适应寒冷的真菌菌株——Lachnellula和Neodevriesia，分别来自高山土壤和北极海岸——它们可以分解某些类型的可生物降解塑料，包括 PLA。尽管如此，酶只是塑料回收难题中的一环。目前还不清楚利用这些酶进行规模化处理的难易程度，以及规模化处理的环境足迹可能是什么样子。“我认为永远不会有适用于所有情况的完美方案。”Samsara Eco的蛋白质工程与研究创始人Vanessa Vongsouthi说道。“除了努力开展先进回收，政策、产品重新设计、重复使用甚至淘汰…所有这些都是大局的一部分。”一些政策变革正在酝酿之中。联合国将于2024年制定首个全球塑料污染条约。该条约旨在遏制塑料污染，预计将引入新的塑料产品生产和设计规范，以方便回收利用。明年，美国的华盛顿州、加州和欧盟将出台法律，规定塑料容器和饮料瓶中25%的材料必须是可回收塑料。但如果没有额外的改变和激励措施，这些努力可能只是杯水车薪。只要化石燃料价格一直低廉，原生塑料仍然便宜，生物酶就可能无法与之竞争。“主要问题在于成本。”麦基汉表示，“化石衍生塑料非常便宜，因为它们是在一个非常成熟的全球市场上大规模生产的。”他还表示，一些国家的政府仍在鼓励以这种方式生产塑料。“我们需要真正转换思路，开始以石油和天然气行业过去受益的方式激励PET或其他可生物降解工艺。”麦基汉依然乐观地认为，一旦生物回收技术得到改进，其成本效益将很快足以与原生塑料竞争。在此之前，像贝尔托基尼这样的研究人员将继续努力。2019 年搬到马德里后，贝尔托基尼放弃了心爱的蜂箱，但至今仍在继续利用飞蛾和蝴蝶幼虫扩大公司的酶产品组合。她说，酶并不能完全解决塑料问题，“但已经起步了”。
作者简介：
原文标题“The living things that feast on plastic”，2023年8月24日发布于 Knowable Magazine。
链接：https://knowablemagazine.org/article/food-environment/2023/how-to-recycle-plastic-with-enzymes
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