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。

近日，中國科學(xué)院海洋研究所研究員孫超岷團隊經(jīng)過多年攻關(guān)，首次發(fā)現(xiàn)能有效降解聚對苯二甲酸乙二醇酯(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，對于消除白色污染至關(guān)重要。”孫超岷在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。

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期共存中也進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)運到細胞內(nèi)徹底氧化。細菌可產(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所需的能源物質(zhì)，微生物最終可以將塑料分解成對環(huán)境完全無害的二氧化碳、水等產(chǎn)物。”中國科學(xué)院海洋研究所博士高蓉蓉說。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、工程塑料國家工程研究中心主任季君暉認為，“對于解決塑料增量問題，推行可降解塑料是主要途徑，但對于解決不可降解塑料的存量問題，運用微生物進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。”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)團隊開始了這場也許沒有結(jié)果的尋“菌”征程。

起初，他們在青島近海受塑料污染較嚴(yán)重的海水浴場采集了上千份塑料垃圾，并對其中的菌群進行培育篩選，然而兩年多的工作幾乎沒有進展。就在大家一籌莫展之時，偶然發(fā)現(xiàn)有一個菌群能有效定殖在礦泉水瓶壁，這讓整個團隊興奮起來。

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，孫超岷團隊又耗時近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，我們常常幾個月都在重復(fù)失敗的結(jié)果，最難時也曾想過放棄，但慶幸的是，我們堅持下來了，也正是大量失敗的經(jīng)驗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，很多研究團隊沒有持續(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間內(nèi)肉眼難以觀察，需要借助特殊的儀器檢測。

“科學(xué)研究需要持續(xù)坐‘冷板凳’，項目沒有拿到結(jié)果，是很難得到資助的，而對于有潛力但又有冒險性的課題，尤其是從‘0’到‘1’的課題，國家應(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，團隊還在精細研究酶的結(jié)構(gòu)及作用機制，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，孫超岷團隊還在嘗試用不同比例復(fù)配微生物菌群，希望通過調(diào)整不同微生物個體的比例，提高PE塑料降解效率。

加強學(xué)科交叉

“目前，團隊發(fā)現(xiàn)的微生物菌群和酶還只能在實驗室小規(guī)模條件下實現(xiàn)對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，對相應(yīng)的降解產(chǎn)物進行回收再利用。“目前所使用的菌群都是常見的微生物，不會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，不能單靠幾個團隊或幾個專業(yè)，必須全社會通力合作，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)科的研究團隊共同努力，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，雖然是兩個相差較大的領(lǐng)域，但存在互補性。“兩個學(xué)科需要更多地交叉，未來也一定會有更多的相互補充。”

“禁塑令”應(yīng)循序漸進

目前，全國絕大多數(shù)省份已經(jīng)發(fā)布塑料污染治理相關(guān)實施方案或行動計劃。2020年12月1日，《海南經(jīng)濟特區(qū)禁止一次性不可降解塑料制品規(guī)定》正式實施，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，更尷尬的是，“全生物降解塑料目前的產(chǎn)量仍無法滿足實際市場需求”。

他還發(fā)現(xiàn)，“禁塑令”存在一些執(zhí)法“盲點”，對于在市場“明面”上流通的塑料，監(jiān)管相對容易，而對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，不應(yīng)‘一刀切’。對于超市等渠道銷售的塑料袋等產(chǎn)品價格，應(yīng)該進行一定的干預(yù)，以防過高價格和利潤引起民眾對禁塑令的抵觸，并滋生廉價違規(guī)塑料產(chǎn)品的地下交易。”季君暉表示。

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