為了減少不可降解塑料的增量，越來越多的國家開始采取“禁塑”等措施。但每年仍有約6543.8+0.5億噸塑料垃圾進入陸地和海洋環境。如何幫助地球“消化”海量不可降解塑料？尋找能“吃”塑料的微生物，成為近年來科學家關註的焦點。
近日，中國科學院海洋研究所孫朝敏研究員團隊首次發現，海洋微生物菌群和酶可以有效降解聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚乙烯(PE)——它們可以在短短兩周內將最難降解的PE塑料“吃”成碎片。相關研究成果發表在《危險材料》上。
小菌群起了很大的作用
塑料是壹種高分子聚合物，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。
2016日本京都工藝美術大學的科學家發現了可以有效降解PET塑料的微生物，讓很多科學家興奮不已。
雖然很多科學家都在尋找能有效降解塑料的微生物和酶，但壹直沒有辦法降解最難、最大的PE塑料。
“PE塑料具有優異的化學穩定性，比PET等其他類型的塑料更難降解，而生活中常見的壹次性塑料袋和農用地膜幾乎都是PE塑料。開發有效降解PE塑料的生物產品，對於消除白色汙染非常重要。”孫朝敏在接受《中國科學報》采訪時說。
微生物無處不在。有沒有可以「吃」PE塑料的微生物？如果有，在哪裏可以找到？
“全球只有約9%的塑料垃圾被回收，其余大部分被焚燒、填埋或直接丟棄在自然環境中，海洋是塑料垃圾的最終流向之壹。”孫朝敏告訴記者。
“百川歸大海”，他決定向海洋尋求答案。“海洋是塑料的主要承載地。相應地，許多海洋微生物在與塑料的長期生存中，進化出了壹系列塑料降解體系，其產生的塑料降解酶也成為開發塑料降解酶制劑的絕佳候選。”
孫朝敏進壹步解釋說，“塑料聚合物主要是被生物胞外酶解聚成短鏈或小分子物質，然後輸送到細胞內進行徹底氧化。細菌可以產生多種胞外酶來降解塑料大分子，如脂肪酶、解聚酶、酯酶、蛋白酶、角質酶、脲酶、脫水酶等。”
“塑料可以轉化為微生物自身生長所需的能量物質，微生物最終可以將塑料分解成二氧化碳和水等對環境完全無害的產品。”中國科學院海洋研究所博士高榮榮說。
中科院理化技術研究所研究員、工程塑料國家工程研究中心主任紀俊輝認為，“推廣可降解塑料是解決塑料增量的主要途徑，但對於解決不可降解塑料的問題，利用微生物進行降解是壹個非常好的研究方向。”
在海洋中尋找細菌
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高鹽、高壓、黑暗等極端環境，產生壹些在陸地環境中無法形成的天然產物，如抗生素、具有特殊功能的酶等。這些都是非常好的生物制品資源庫。”孫朝敏告訴記者。
2016在與海洋微生物打了多年交道後，孫朝敏帶領團隊開始了這段尋找可能沒有結果的“細菌”的旅程。
起初，他們從青島近海塑料汙染嚴重的海灘上收集了數千個塑料垃圾，並對其中的菌群進行了培養和篩選。然而，兩年多來，他們的工作進展甚微。就在大家不知所措的時候，恰好有壹個菌群可以有效的在礦泉水瓶壁上定植，讓整個團隊興奮不已。
但是，菌群中有很多微生物，並不是所有的微生物都能分解塑料。在進壹步剔除“打醬油”的微生物，準確鎖定能“吃”PE塑料的微生物後，孫朝敏團隊用了近三年的時間，獲得了相應的微生物純培養物，並人工復合了能有效降解PE塑料的菌群，通過組合不同的手段，最終找到了降解PE塑料的相應酶。
“在篩選能夠降解PE塑料的微生物的過程中，我們經常會連續幾個月重復失敗的結果，甚至在最困難的時候想過放棄，但幸運的是，我們堅持下來了，正是大量的失敗經歷促使我們最終得到了能夠‘吃’塑料的菌群。這是壹個量變導致質變的過程。”高榮榮感慨道。
在孫朝敏看來，很多研究團隊並沒有持續下去。壹方面，塑料是近百年才出現的新型汙染物。自然界的微生物還沒有進化出成熟的高效降解塑料的體系，篩選猶如大海撈針。另壹方面，微生物降解塑料的效果很難在短時間內用肉眼觀察到，需要專門的儀器來檢測。
“科研需要繼續坐冷板凳，項目拿不出成果很難拿到經費。對於有潛力但風險大的項目，尤其是從‘0’到‘1’的項目，國家應該給予更多的資助。”孫朝敏說。
“我們的研究為PE塑料的降解打開了壹扇門，但進入室內後還需要做更多的工作。”孫朝敏告訴記者，“目前團隊還在詳細研究酶的結構和作用機理，試圖通過突變找到更高效降解PE塑料的酶，並將不同的酶組合形成酶系統，最終開發成塑料降解酶制劑。”
此外，孫朝敏團隊還在嘗試不同比例的微生物菌群復合，希望通過調整不同微生物個體的比例來提高PE塑料的降解效率。
加強跨學科研究
“目前，團隊發現的微生物菌群和酶只能在實驗室小規模條件下部分降解塑料垃圾，距離工業化應用還有很長的路要走。”孫朝敏坦言。
他希望開發壹種塑料降解的生物制劑，在密閉的反應器中處理塑料垃圾，並回收相應的降解產物。“目前使用的菌群都是常見的微生物，不會造成生物安全和二次汙染問題。”
在孫朝敏看來，在可降解塑料完全取代傳統塑料之前，後者還有壹定的生存空間。開發塑料可降解生物制品，對於解決已經形成和未來將新增的塑料汙染問題具有重要意義。
“要消除地球上的白色汙染，不能只靠幾個團隊或者幾個職業。我們必須與全社會共同努力，突破傳統塑料降解技術的瓶頸。未來，我們希望與不同學科的其他研究團隊合作，開發高效降解塑料垃圾的生物產品。”孫朝敏說。
在紀軍輝看來，利用微生物降解塑料和開發可降解塑料，雖然兩個領域差別很大，但卻是互補的。“兩個學科需要更多的交叉，未來肯定會有更多的互補性。”
“禁塑令”要循序漸進。
目前，我國大部分省份都出臺了與塑料汙染控制相關的實施方案或行動計劃。2020年6月5438+2月1日，《海南經濟特區禁止使用壹次性不可降解塑料制品條例》正式實施，這意味著海南正式全面禁止使用壹次性不可降解塑料袋、塑料餐具等塑料制品。
但紀俊輝指出，真正可靠的塑料制品都是生物降解塑料。由於各地出臺的政策缺乏統壹標準，“部分可降解”塑料在市場上魚龍混雜。更尷尬的是，“目前所有生物降解塑料的產量仍不能滿足實際市場需求”。
他還發現，“禁塑令”的執行存在壹些“盲點”。對市場上流通的塑料進行監管相對容易，但對通過物流交易的塑料制品進行監管卻非常困難。
“國家應該盡快統壹標準，這樣壹方面減少標準制定的重復，另壹方面也便於統壹管理。另外，政策制定要循序漸進，不能‘壹刀切’。對於超市等渠道銷售的塑料袋等產品的價格，要進行壹定的幹預，防止過高的價格和利潤引起人們對禁塑令的抵觸，滋生廉價非法塑料產品的地下交易。”紀俊輝說。
相關論文信息:https://doi . org/10.1016/j . jhazmat . 2021.125928。