引言

撰文 | 祝叶华

编辑 | 金庄维

全球每年生产2.7亿吨塑料，有800万吨进入海洋，但这并不是终点。塑料进入了食物链。相关证据像剥洋葱一样，正一层一层被揭开。

海鸟被肚子里的塑料瓶盖活生生“撑死”；

追食塑料袋的海龟，在享受“美餐”后，患上了严重的消化不良；

鱼类肚子里色彩斑斓的塑料颗粒和滥竽充数“暗藏”在食盐中的微塑料更是赤裸裸的向人类宣告：吃饭=吃塑料；

最近，一项尚未经过同行评议的研究再次挑动了人类本就敏感的神经：科学家在人类粪便中发现了微塑料的存在……

单次使用的塑料产品的平均使用寿命大约是12分钟，但在被“抛弃”后，它们却可以在环境中死磕半个世纪。如何驱逐环境中的塑料，是技术面临的一项巨大挑战。

塑料的“酶”运

一直以来，塑料制品的生产都被认为是单向运行的。而一个国际研究小组的科学家却“意外”找到了解决这个问题的方法，他们创造了一种“吃”塑料的酶，它可以让塑料的产生与降解连接起来，让“可逆”反应成为可能。

20世纪60年代，塑料的使用流行起来，在过去的80年里作为一种“添加剂”，不断注入环境中。有没有可能自然界的物种也随着塑料的闯入，进化出与之相关的技能？

2016年，日本科学家就发现自然界中某种细菌进化出了可以“降解”塑料的能力。他们将这种细菌命名为Ideonella sakaiensis，它可以通过一种“PET降解酶（PETase酶）”来降解PET。（PET全称是聚对苯二甲酸乙二醇酯，是食品和饮料行业最流行的塑料形式之一，是仅次于聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯的塑料制品。）[1]

为了进一步了解PETase酶的工作方式，英国朴茨茅斯大学和美国能源部国家可再生能源实验室的科学家们试图通过一种名为X射线衍射的技术来捕捉PETase 3D结构的细节。在探寻的过程中，他们无意中向前多走了一步，结果意外地设计了一种功能更强大的酶（升级版的PETase酶），升级版的PETase酶被发现分解PET塑料的功能更强[2]。

酶的活性位点通常被认为是蛋白质上一个底物结合的有限区域，酶的许多功能都与其活性位点有关。因此，该研究的研究人员也猜测活性位点的存在或许就是升级版PETase酶降解塑料能力大增的原因所在。为了验证这一想法，他们设计让PETase的活性位点发生突变，这样它就更像“cutinase”（cutinase是一种在真菌和细菌中发现的酶，可以降解特定的塑料）。结果证实，实验室制造的突变体具有超强的能力，可以分解PET，并将其转化为其他容易降解的化学物质。额外的蛋白质工程提高了PETase的性能，使得这种突变酶甚至比天然PETase酶的效果还要好。

不过，到目前为止，突变的PETase分解塑料的效率仅比自然产生的酶高20%。但研究小组表示，还有进一步改进这些酶的空间。重要的是，现在已经知道这些酶可以被优化和增强。

食“塑”昆虫的发现

不仅酶“吃”塑料，昆虫也会。发现食塑料昆虫的过程还充满着戏剧性——“好运”就那么撞上来了。

西班牙Cantabria (CSIC)生物医学与生物技术研究所的研究员人员Federica Bertocchini（碰巧是一位业余养蜂人）在清理蜂巢时，偶然发现蜡虫具有破坏塑料的能力。通常作为商业鱼饵饲养的蜡虫是大蜡蛾的幼虫，它是养蜂人熟知的害虫。蜂蜡蛾在蜂房内产卵，然后孵化成蜂蜡蠕虫，让它寄生在蜂蜡上。蜂蜡蠕虫的进入，让蜂巢内的蜜蜂有了食物和空间的竞争者。

所以，当时他在打扫蜂房，把寄生的虫子清理出来，放在塑料袋里，然后开始清理嵌板。当一切收拾妥当后，他突然发现房间里有许多虫子——从塑料袋中挖洞出逃的蜡虫。吃塑料的毛毛虫研究项目自此开始。

他与剑桥大学合作进行的一项研究中[3]，他们将约100只蜡虫放入英国一家超市的袋子里。40分钟后，袋子开始出现破洞，12小时后，袋子里的重量减少了92克。为了证实塑料不是被蜡虫咬断，而是被蜡虫分泌的某种物质所降解了，研究人员捣碎了一些蜡虫，并把它们涂在聚乙烯袋子上，实验结果与活蠕虫的结果相似。

蜡虫食用塑料（图源：Current Biology）

剑桥大学的Paolo Bombelli说:“如果这种化学过程由一种酶引起，那么使用生物技术的方法进行大规模繁殖是可以实现的。” 

为什么蜡虫会分泌降解塑料的物质呢？其实蜡虫的“口粮”蜂蜡和塑料一样，是一种聚合物，它由一长串碳原子组成。为了“消化”食物，蜡虫会产生一些破坏化学键的物质。这些物质可能是它的唾液腺或者肠道中产生的一种共生细菌。Bertocchini的塑料袋中的聚乙烯和蜂蜡有着类似的碳骨架，所以这种物质同样能够降解塑料。下一步该组科学家将尝试识别这个反应中的分子过程，试图分离出负责降解塑料的酶。

无独有偶，2015年，北京航空航天大学杨军研究组和深圳华大基因公司赵姣博士等在Environmental Science & Technology上合作发表了两篇姊妹研究论文。他们发现黄粉虫（面包虫）的幼虫可以降解聚乙烯类塑料[4-5]。黄粉虫以聚苯乙烯泡沫塑料为唯一食物来源，可以存活1个月以上，并最终发育成成虫。

正在吃塑料的黄粉虫（图源：Environmental Science & Technology）

目前这些食塑虫子对塑料的胃口还不是很大，所以如何提高虫子胃口，同时发现更多类似的食塑昆虫，是后续努力的方向。

化学品的突破

或许还有很多其他的毛毛虫可以降解塑料，不过对于BioCellection的创始人Miranda Wang来说，解决塑料污染问题的重点应该是减少生产，增加回收利用。因为即使是放在路边回收箱里的塑料，最终也会被出口到发展中国家的海外，变成海洋污染。

海边各种颜色的塑料垃圾（图源：pixabay.com）

回收塑料是一个机械过程，按照颜色进行分类：切碎的、清洁的、和融化的。但这仅限于特定种类的塑料：用于水瓶的PET和用于牛奶罐的HDPE。另外几种常用塑料通常含有色素和增塑剂，这意味着它们无法被回收利用。此外，大部分被丢弃的塑料都覆盖着食物和油脂，因此会自动被市场以严格的质量标准拒绝回收。

这些“夹带”食物、灰尘、污垢或污染的薄膜塑料是Miranda Wang的目标塑料。他们的技术可以把这些类型的薄膜塑料转化成四种不同的化学物质的混合物——有机酸。

2015年，Miranda Wang和同学创办了BioCellection。这家初创公司的业务最初是基于他们发现的一种细菌，这种细菌已经进化出吃塑料的能力。但是，没过多久，他们就意识到，不管塑料表面有什么食物污染，细菌都来者不拒。大油大盐的饮食让细菌消化速度变慢。这当然不利于塑料的快速处理。于是，他们把思想转向使用化学药品来分解塑料薄膜。

他们先是把塑料切成丝，放进烧瓶，然后加入液体催化剂进行反应。这是一个相对传统的化学过程——在普通玻璃设备中，反应温度为120摄氏度，没有额外增加压力。塑料本身是由一长串由聚合物组成的碳链组成的，它自身会发生不稳定和折叠，从而产生链上有4到7个的碳的短链化学物质，这就是反应结束时液体中的物质。

“蒸煮”中的塑料（图源：biocellection）

接着，液体催化剂被煮沸，并被系统重新捕获回收。反应完成后的液体不再是塑料液体，而是化学液体，因为塑料聚合物已经变成了短链的化学物质。在此之后，可以进行另一种化学分离，将液体变成白色的化学粉末。

塑料降解后的化学粉末（图源：biocellection）

他们在这些化学粉末中，分离出了的一种化学物质：己二酸，它是尼龙和多胺等材料的前体，用于时尚、电子零件和汽车零部件。所以，如果可以大规模投入运行的话，这从另一方面，也减少了石油副产品的使用。

“目前，我们不可能确切地知道我们的反应在工业规模上如何起作用，但这绝对是一个有意义的尝试。”Wang说，“今天在这个领域的工作太多了，细菌分解塑料的研究都存在速度太慢、理论性太强的问题。比如吃塑料的毛毛虫，在24小时内，它们分解塑料是数量太少了。另外，他们使用的是完全干净的塑料袋，但是城市垃圾并不干净”。

所以，在她看来，人类需要足够强大的技术来处理这些问题，最先需要做的就是处理当今世界存在的材料，而不是研发新的替代材料。因为人类面临的处境是，如果到2050年不做出实质性的改变，海洋里的塑料就会比鱼还多[6]。

人类用科学创造了一种“永恒”的材料，使用之后又想把它彻底扔掉。但目前来看，这似乎是不可能的。它没有“离开”，每一块曾经被创造出来的塑料仍然与我们同在。人类想要回到一个没有塑料污染的世界已经不太现实了，但可以阻止问题的发展，扭转这一趋势。要做到这一点，在技术还不够成熟之前，戒掉对塑料的依赖是最简单也最行之有效的“处理技术”。

参考资料

[1] Shosuke Yoshida, Kazumi Hiraga, Toshihiko Takehana, et al. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)[J]. Science, 2016, 351(6278): 1196-1199.

[2] Harry P. Austin, Mark D. Allen, Bryon S, et al. Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase[J]. PNAS, 2018 115(19): E4350-E4357.

[3] Paolo Bombelli, Christopher J. Howe, Federica Bertocchini, et al. Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella[J]. Current Biology, 2017, 27(8): 292-293.

[4] Yang Yu, Yang Jun, Wu Weimin, et al. Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms: Part 1. chemical and physical characterization and isotopic tests[J]. Environmental Science & Technology, 2015, 49(20): 12080-12086.

[5] Yang Yu, Yang Jun, Wu Weimin, et al. Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms: Part 2. role of gut microorganisms[J]. Environmental Science & Technology, 2015, 49(20): 12087-12093.

[6] https://www.wired.co.uk/article/plastic-pollution-environment-chemical-process.

文章头图及封面图片来源：简化url地址

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