用微生物解決塑料危機(jī)，這種方法是否真正可行？
編者按：隨著全球塑料污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，科學(xué)家們一直在尋找有效的解決方案。最近，利用微生物降解塑料的新方法引起關(guān)注。這篇文章來(lái)自編譯，作者通過(guò)探討一種啃食塑料的細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，系統(tǒng)闡述了微生物降解塑料的科學(xué)原理、工業(yè)化進(jìn)程及應(yīng)用前景，指出這種天然的生物方法可能會(huì)成為解決白色污染的關(guān)鍵。
垃圾場(chǎng)里的意外發(fā)現(xiàn)：一種能降解塑料的新型細(xì)菌
2001 年，日本的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在一個(gè)垃圾場(chǎng)里的泥土溝渠中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的現(xiàn)象。在滿是泥土和廢物的溝渠里，他們發(fā)現(xiàn)了一層正在“啃食”塑料瓶、玩具和其他雜物的細(xì)菌薄膜。當(dāng)細(xì)菌分解這些垃圾時(shí)，它們會(huì)吸收塑料中的碳作為能量，用于生長(zhǎng)、移動(dòng)和繁殖。雖然這種“進(jìn)食”方式與我們通常理解的有所不同，但這些細(xì)菌確實(shí)是在“吃”塑料。
該團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人是京都工藝?yán)w維大學(xué)（Kyoto Institute of Technology）的小田廣平（Kohei Oda）教授。該研究團(tuán)隊(duì)原本在尋找可以軟化合成纖維的物質(zhì)，例如同樣也是塑料的用于制造大多數(shù)飲料瓶的聚酯纖維。小田教授是一位微生物學(xué)家，他認(rèn)為微生物是自然界中的“工程師”，能夠解決各種科學(xué)問(wèn)題。他曾對(duì)我說(shuō)：“仔細(xì)觀察自然界，你經(jīng)常都會(huì)有非常好的發(fā)現(xiàn)?！?/p>
小田教授和他的同事在垃圾場(chǎng)里發(fā)現(xiàn)的是一種從未見(jiàn)過(guò)的細(xì)菌。他們?cè)鞠Ｍl(fā)現(xiàn)一種能夠分解塑料表面的微生物，但這些細(xì)菌所做的遠(yuǎn)不止于此——它們似乎正在完全分解塑料，并將其轉(zhuǎn)化為基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。從我們對(duì)塑料污染規(guī)模的認(rèn)識(shí)來(lái)看，這一發(fā)現(xiàn)的潛力似乎是顯而易見(jiàn)的。但事實(shí)上，“微塑料”這一詞首次出現(xiàn)于 2004 年。因此，小田教授稱，在當(dāng)時(shí)的 2001 年，這個(gè)發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有“被視為一個(gè)極為有趣的話題”。該團(tuán)隊(duì)關(guān)于這種細(xì)菌的初步論文也從未發(fā)表。
自該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這種能夠分解塑料的細(xì)菌以來(lái)，塑料污染問(wèn)題已經(jīng)變得越來(lái)越不容忽視。在過(guò)去 20 年里，我們已經(jīng)制造出了 25 億噸塑料廢物。另外，現(xiàn)在每年還在產(chǎn)生大約 3.8 億噸塑料廢物，預(yù)計(jì)到 2060 年這個(gè)數(shù)字還將增加兩倍。一個(gè)比英國(guó)國(guó)土面積大 6 倍的塑料垃圾堆坐落在太平洋中部。世界各地的海灘都淤塞著塑料廢物，垃圾填埋場(chǎng)也堆滿了這些廢物。在微觀角度來(lái)看，微塑料和納米塑料顆粒已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)存在于水果和蔬菜中，它們可以通過(guò)多種途徑進(jìn)入這些食物。其中，植物根系吸收是主要途徑。此外，它們也被發(fā)現(xiàn)已經(jīng)存在于人體幾乎所有器官中，甚至可以通過(guò)母乳在母嬰之間傳遞。
目前的塑料分解或回收方法仍然存在明顯的不足之處。大多數(shù)塑料回收需要經(jīng)過(guò)粉碎和研磨，這會(huì)使塑料的纖維起毛和斷裂，導(dǎo)致其質(zhì)量降低。與之相比，玻璃或鋁制容器可以無(wú)限次熔化和重塑。塑料水瓶在回收過(guò)程中都會(huì)發(fā)生降解。回收后的塑料瓶會(huì)變成斑駁的袋子，再變成纖維絕緣材料，最后成為路面填料，直至無(wú)法再被回收利用。而這還只是最好的情況?，F(xiàn)實(shí)中，只有不到 9% 的塑料會(huì)進(jìn)入回收站。目前唯一的永久處理塑料的方法是焚燒。每年有近 7000 萬(wàn)噸塑料被焚燒，這會(huì)釋放塑料中的碳進(jìn)入空氣，加劇氣候危機(jī)，還會(huì)釋放任何可能混合在其中的有毒化學(xué)物質(zhì)。
左圖是一種名為“大阪堺菌”的菌株，右圖是它分解塑料后留下的殘留物。圖片來(lái)源：Kohei Oda, Kyoto Institute of Technology
自從發(fā)現(xiàn)這種細(xì)菌以來(lái)，小田教授和他如今已成為教授的學(xué)生平賀一浩（Kazumi Hiraga）一直保持著聯(lián)系并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2016 年，全球都在迫切尋找應(yīng)對(duì)塑料危機(jī)的解決方案，當(dāng)他們最終在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)的論文后，也引起了不小的轟動(dòng)。小田教授的團(tuán)隊(duì)將他們?cè)诶鴪?chǎng)發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌命名為“大阪堺菌”（Ideonella sakaiensis），取名來(lái)自于發(fā)現(xiàn)地日本大阪府轄下的堺市（Sakai）。在論文中，他們描述了這種細(xì)菌所產(chǎn)生的一種特定酶，使其能夠分解并消化聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET），而 PET 是服裝和包裝中最常見(jiàn)的塑料。這篇論文在媒體上得到了廣泛報(bào)道，至今已有超過(guò) 1000 次科學(xué)引用，名列所有論文的前 0.1%。
但真正的希望在于，這不僅僅是發(fā)現(xiàn)了一種能夠分解某種塑料的細(xì)菌。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，微生物學(xué)——研究小生物體（包括細(xì)菌和一些真菌）的學(xué)科——經(jīng)歷了一場(chǎng)革命。奧巴馬執(zhí)政期間的白宮科學(xué)顧問(wèn)、美國(guó)微生物學(xué)會(huì)（American Society for Microbiology）前主席喬·漢德?tīng)査孤↗o Handelsman）將其描述為自達(dá)爾文創(chuàng)立進(jìn)化論以來(lái)可能的最重大的生物學(xué)進(jìn)步。我們現(xiàn)在知道，微生物構(gòu)成了一個(gè)龐大的隱藏世界，與我們所處的世界交織在一起。我們目前仍然處在對(duì)塑料微生物多樣性的初步認(rèn)識(shí)階段，它們也擁有令人難以置信的能力。許多科學(xué)家已經(jīng)表達(dá)了對(duì)小田教授所持觀點(diǎn)的認(rèn)同。他們認(rèn)為，對(duì)于我們正在努力解決的一系列看似無(wú)法解決的問(wèn)題，微生物可能已經(jīng)展示出了潛在的解決方案。我們所需要做的，就是去探索它們。
進(jìn)化中的超級(jí)酶：工程微生物加速塑料降解
像小田教授這樣的發(fā)現(xiàn)只是一個(gè)開(kāi)始。如果我們要對(duì)人類(lèi)自己造成的這場(chǎng)全球性的環(huán)境災(zāi)難抱有任何緩解的希望，那就需要通過(guò)細(xì)菌來(lái)更快、更好地發(fā)揮作用。當(dāng)小田教授和他的團(tuán)隊(duì)最初在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)試這種細(xì)菌時(shí)，他們將其放置在一個(gè)含有 2 厘米長(zhǎng)、重 0.05 克的塑料薄膜的試管中。在室溫下，它們花了大約 7 周的時(shí)間將這種小小的塑料分解成前體物質(zhì)。這一結(jié)果非常令人印象深刻，但對(duì)于大規(guī)模的塑料廢物來(lái)說(shuō)，這種速度仍然太慢，不足以產(chǎn)生有意義的影響。
但幸運(yùn)的是，在過(guò)去 40 年中，科學(xué)家在工程和操控酶方面取得了非常顯著的進(jìn)展。樸茨茅斯大學(xué)（University of Portsmouth）分子生物物理學(xué)教授安迪·皮克福德（Andy Pickford）表示，就分解塑料的大阪堺菌來(lái)說(shuō)，“與這一細(xì)菌相關(guān)的特定酶類(lèi)實(shí)際上還處于進(jìn)化發(fā)展的早期階段?！比祟?lèi)科學(xué)家的目標(biāo)是在此基礎(chǔ)上繼續(xù)往下研究，使其能夠更快、更有效地分解塑料。
任何生物要分解更大的化合物時(shí)，無(wú)論是 DNA 鏈、復(fù)雜的糖分子，還是塑料，它們都會(huì)依賴于細(xì)胞內(nèi)的酶。酶是細(xì)胞內(nèi)的微型分子機(jī)器，專門(mén)用于執(zhí)行這一任務(wù)。酶的工作原理是通過(guò)在微觀尺度上促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，有時(shí)候通過(guò)將反應(yīng)性原子靠近以使它們結(jié)合，或者通過(guò)在特定點(diǎn)扭曲復(fù)雜分子使其變得脆弱并更容易分解。
如果你想提高天然酶的性能，也有一些幾乎通用的方法。例如，化學(xué)反應(yīng)在更高溫度下往往效果更好（這就是為什么要在 180°C 而不是 50°C 的烤箱中烘烤蛋糕）。但大多數(shù)酶在它們所在生物體的環(huán)境溫度下最穩(wěn)定，比如正常情況下 37°C 的人體體溫。通過(guò)重寫(xiě)編碼酶的 DNA，科學(xué)家就可以調(diào)整其結(jié)構(gòu)和功能，例如使其在更高溫度下更穩(wěn)定，這將有助于它更快地促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。
這聽(tīng)起來(lái)像是一種魔力，但實(shí)際上也存在許多局限。美國(guó)科羅拉多州國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory）的研究員伊麗莎白·貝爾（Elizabeth Bell）說(shuō)：“這通常是兩步前進(jìn)，一步后退。”進(jìn)化本身就涉及權(quán)衡，盡管科學(xué)家了解大多數(shù)酶的工作原理，但預(yù)測(cè)哪些調(diào)整能使它們工作得更好仍然很困難?！盎谶壿嬙O(shè)計(jì)的方法往往效果不佳，所以我們必須采用其他方法?！必悹栄a(bǔ)充說(shuō)。
越南某個(gè)被塑料污染的紅樹(shù)林沼澤。圖片拍攝于 2018 年。圖片來(lái)源：Nhac Nguyen/AFP/Getty Images
貝爾的研究重點(diǎn)是一種由大阪堺菌產(chǎn)生的用于降解 PET 塑料的酶。她采用了一種“暴力”的手段來(lái)強(qiáng)化天然進(jìn)化，該方法直接作用于塑料的酶區(qū)域，使用基因工程對(duì)其進(jìn)行所有可能的突變。在野外，細(xì)菌在細(xì)胞分裂的過(guò)程中，每隔幾千次分裂，可能才會(huì)發(fā)生一次酶的突變。貝爾通過(guò)這種方法，確保自己能夠獲得數(shù)百上千個(gè)潛在有益的突變體來(lái)進(jìn)行測(cè)試。她將每個(gè)突變體的降解塑料能力進(jìn)行測(cè)量，任何顯示出哪怕是微小改進(jìn)的候選物都會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行突變。貝爾所在的國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室研究小組負(fù)責(zé)人格雷格·貝克漢姆（Gregg Beckham）將其稱為“對(duì)酶進(jìn)行非常徹底的進(jìn)化”。去年，貝爾發(fā)表了她工程化的一種PETase酶的最新研究成果，該酶的降解PET的速度比原始酶快了數(shù)倍。
然而，將酶打造成符合我們目的的工具，并非僅僅是科學(xué)家不斷調(diào)整、直到獲得完美工具的問(wèn)題。在 2016 年小田教授團(tuán)隊(duì)的論文發(fā)表之前，我們甚至不知道世界上存在能夠消化塑料的細(xì)菌。現(xiàn)在，我們有了確鑿的證據(jù)?？紤]到我們目前僅探索到微生物生命的一小部分，可能還存在更出色的候選物。用工程術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，我們可能正試圖用豐田致炫（Yaris）發(fā)動(dòng)機(jī)追求頂級(jí)賽車(chē)的性能，而尚未被發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域可能存在細(xì)菌界的法拉利。貝克漢姆表示：“我們一直在苦苦掙扎的問(wèn)題是，我們是應(yīng)該回歸到自然界中不斷搜索，看看自然界是否存在解決方案？還是應(yīng)該將我們已經(jīng)掌握的微小立足點(diǎn)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行深入研究？”
這一問(wèn)題也引發(fā)了所謂的“生物勘探”熱潮。生物勘探者就像在河里淘金的人一樣，環(huán)游世界尋找有趣和潛在價(jià)值的微生物。2019年，韓國(guó)光州教育大學(xué)（Gwangju National University）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)來(lái)到城外的市政拉機(jī)場(chǎng)，在垃圾堆下方 15 米的地方進(jìn)行鉆探，以探索埋藏在這個(gè)垃圾堆下面數(shù)十年的塑料垃圾。通過(guò)鉆探，嚴(yán)秀進(jìn)（Soo-Jin Yeom）教授和學(xué)生發(fā)現(xiàn)了“蘇云金桿菌”（Bacillus thuringiensis ）的一種細(xì)菌變種，這種細(xì)菌變種似乎能夠以聚乙烯袋作為食物而存活下來(lái)。嚴(yán)教授的團(tuán)隊(duì)目前正在研究這種細(xì)菌可能使用的酶，以及它是否真的能夠代謝塑料。
在越南和泰國(guó)沿海的大片紅樹(shù)林沼澤中，樸茨茅斯大學(xué)的微生物學(xué)家西蒙·克拉格（Simon Cragg）也在尋找其他能夠“啃食” PET 塑料的微生物。他告訴我：“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的塑料降解酶與天然降解植物葉片外層的酶非常相似。紅樹(shù)林的根部也有類(lèi)似的防水涂層，但令人遺憾的是，這些沼澤地中含有大量的塑料。”他希望那些能夠降解紅樹(shù)植物根的細(xì)菌也能降解塑料。
邁向未知的微生物世界：DNA 技術(shù)驅(qū)動(dòng)新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)
在我們認(rèn)真研究微生物的約 200 年時(shí)間里，微生物一直處于一種“科學(xué)監(jiān)禁”的狀態(tài)?？偟膩?lái)說(shuō)，微生物主要被認(rèn)為是需要根除的病原體，或者只是用于一些基本工業(yè)過(guò)程（如釀酒或制作奶酪）中扮演可靠的角色。美國(guó)微生物學(xué)會(huì)前主席漢德?tīng)査孤嬖V我：“即使在 40 至 50 年前，微生物學(xué)都仍然被視為一門(mén)過(guò)時(shí)的科學(xué)?！?/p>
上個(gè)世紀(jì)，隨著物理學(xué)領(lǐng)域?qū)⒃臃至讶〉弥卮筮M(jìn)展，生物學(xué)家也開(kāi)始對(duì)世界上許多植物和動(dòng)物物種進(jìn)行分類(lèi)，而那些研究微小生命領(lǐng)域的科學(xué)家則滯后了一步。然而，隱藏在我們視野之外的世界卻出現(xiàn)了引人入勝的跡象。早在 20 世紀(jì) 30 年代，微生物學(xué)家就開(kāi)始對(duì)野外觀察到的微生物世界與實(shí)驗(yàn)室研究所見(jiàn)不符感到困惑。他們發(fā)現(xiàn)，如果將樣本（比如一滴海水或一抹泥土）放在顯微鏡下觀察，會(huì)看到數(shù)百種奇妙而多樣的微生物在其中旋轉(zhuǎn)。但是，如果將同樣的樣本放置在培養(yǎng)皿中的凝膠狀營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基上，只有少數(shù)幾個(gè)不同的物種能夠存活和生長(zhǎng)。當(dāng)他們嘗試統(tǒng)計(jì)培養(yǎng)皿上生長(zhǎng)的微生物菌落數(shù)時(shí)，與他們剛剛觀察到的放大圖像相比，數(shù)量稀少得可憐。這一現(xiàn)象后來(lái)被稱為“平板計(jì)數(shù)差異法”。耶魯大學(xué)（Yale University）醫(yī)生兼科學(xué)史學(xué)家威廉·薩默斯（William Summers）表示：“通過(guò)顯微鏡，包括后來(lái)的電子顯微鏡，你可以看到所有這些發(fā)現(xiàn)。但是這些物種無(wú)法在培養(yǎng)皿上生長(zhǎng)，而事實(shí)上，我們通常都是通過(guò)培養(yǎng)皿對(duì)其進(jìn)行特征描述和研究?！?/p>
就像一些稀有野生動(dòng)物無(wú)法在圈養(yǎng)環(huán)境中繁衍一樣，大多數(shù)微生物似乎也不適合在實(shí)驗(yàn)室中生存。因此，科學(xué)家只能依賴那些能夠在有限條件下存活的微生物。然而，仍有一些微生物學(xué)家試圖擺脫這種局限，探索微生物世界的真正廣度。亞歷山大·弗萊明（Alexander Fleming）于 1928 年發(fā)現(xiàn)青霉素的故事眾所周知：一枚真菌孢子飄蕩在圣瑪麗醫(yī)院的走廊，然后偶然落在弗萊明的培養(yǎng)皿中，其中含有青霉素，后來(lái)證明它是 20 世紀(jì)最重要的醫(yī)學(xué)突破之一。美國(guó)羅格斯大學(xué)（Rutgers University）的化學(xué)家塞爾曼·瓦克斯曼（Selman Waksman）的故事相對(duì)較為鮮為人知，但同樣具有重要意義。他創(chuàng)造了“抗生素”（antibiotic）這個(gè)術(shù)語(yǔ)，主要起因是他注意到某些土壤細(xì)菌產(chǎn)生的毒素能夠殺死或抑制與它們競(jìng)爭(zhēng)食物的其他細(xì)菌。瓦克斯曼不懈地研究如何在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)野生細(xì)菌，他的努力讓他不僅在 1946 年生產(chǎn)出第二種商業(yè)化抗生素鏈霉素，還帶來(lái)了隨后推向市場(chǎng)的其他五種抗生素。最終，在土壤中尋找產(chǎn)生抗生素的微生物，也證實(shí)比等待它們飄進(jìn)實(shí)驗(yàn)室更有效。如今，約 90% 的抗生素都是源自瓦克斯曼最初發(fā)現(xiàn)的那類(lèi)細(xì)菌。
倫敦達(dá)根納姆（Dagenham）某個(gè)回收廠中的塑料瓶堆。圖片來(lái)源：Dan Kitwood/Getty Images
大約 25 年前，科學(xué)界普遍認(rèn)為地球上可能存在的微生物物種數(shù)量不到 1 億種。然而，在過(guò)去 10 年的一系列新研究中，這一估計(jì)數(shù)字高達(dá) 1 萬(wàn)億，其中絕大多數(shù)至今仍未被發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家們還在我們的身體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了微生物，它們對(duì)我們的免疫力甚至情緒都具有影響。在深海中，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了生存在噴涌的熱液口中的微生物。在原油儲(chǔ)層中，他們還發(fā)現(xiàn)了能夠進(jìn)化出分解化石燃料的微生物?？傊?，隨著我們的調(diào)查越來(lái)越深入，我們將會(huì)有越來(lái)越多的令人驚奇的發(fā)現(xiàn)。
微生物的適應(yīng)能力使它們成為我們?cè)趧?dòng)蕩時(shí)代的理想伴侶。它們以驚人的方式和速度進(jìn)化，其速度甚至?xí)屵_(dá)爾文和他那個(gè)時(shí)代的人感到震驚。其部分原因是它們可以快速分裂，數(shù)量可達(dá)數(shù)十億；另一個(gè)原因是它們可以利用更復(fù)雜生命形式所不具有的進(jìn)化技巧，比如個(gè)體間快速交換 DNA。它們已經(jīng)找到了在極端環(huán)境中繁榮發(fā)展的方法。而在當(dāng)今這個(gè)歷史性的時(shí)刻，人類(lèi)正在全球范圍內(nèi)以驚人的速度創(chuàng)造更多極端環(huán)境。當(dāng)其他動(dòng)物和植物無(wú)法進(jìn)化出足夠快的解決方案來(lái)趕上其不斷變化的棲息地時(shí)，微生物正在迅速適應(yīng)。它們?cè)谒峄乃蟹敝?，并被發(fā)現(xiàn)可以分解我們排放到自然界的一些腐爛化學(xué)物質(zhì)。正如小田廣平教授所說(shuō)，它們正在為我們自己制造的許多問(wèn)題提出它們的解決方案。
細(xì)菌酶引領(lǐng)塑料回收工業(yè)化：減排與循環(huán)利用的雙豐收
發(fā)現(xiàn)新微生物并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行改造是第一步，但科學(xué)家們知道，最終將其應(yīng)用于“現(xiàn)實(shí)世界”或“工業(yè)領(lǐng)域”可能是一個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。對(duì)于“啃食”塑料的微生物而言，這一目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。自 2021 年以來(lái)，一家名為 Carbios 的法國(guó)公司每天就能使用細(xì)菌酶處理約 250 公斤的 PET 塑料廢物。該公司的技術(shù)可以將 PET 塑料分解為前體分子，然后直接制成新塑料。雖然這項(xiàng)技術(shù)尚未完全實(shí)現(xiàn)讓塑料回歸自然，但 Carbios 公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了塑料回收的終極目標(biāo)，使其更接近像玻璃或鋁這樣無(wú)限循環(huán)再生的材料。
Carbios 公司位于法國(guó)克萊蒙費(fèi)朗（Clermont-Ferrand）的一處低矮工業(yè)設(shè)施內(nèi)，就在第一家米其林輪胎工廠的原址上。但在內(nèi)部，它看起來(lái)不像惡臭的舊工廠，反倒更類(lèi)似一個(gè)城市“釀造廠”。加工后的塑料廢物儲(chǔ)存在巨大的鋼制發(fā)酵罐里。管道中傳來(lái)液體流動(dòng)的聲音，但沒(méi)有任何氣味。來(lái)自回收站的臟塑料堆放在一堆堆的大包裝中，等待著進(jìn)一步加工再利用。
首先，塑料會(huì)被粉碎成碎片，然后通過(guò)一臺(tái)類(lèi)似巨型壓印機(jī)的機(jī)器，將其冷凍并在高壓下擠壓通過(guò)一個(gè)細(xì)小的出口。這些塑料會(huì)以顆粒的形狀彈出，它們被稱為塑料米粒，大小與玉米粒相當(dāng)。在微觀層面，塑料米粒的密度遠(yuǎn)低于塑料化學(xué)家所說(shuō)的原始“結(jié)晶”狀態(tài)。組成塑料的纖維原先緊密纏繞，形成光滑堅(jiān)固的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；現(xiàn)在，這些纖維雖仍完整，但間距變大了，這也為酶創(chuàng)造了更大的作用面。
在野外，細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生有限數(shù)量的能夠降解塑料的酶，以及許多其他酶和廢物。為了加速這一過(guò)程，Carbios 公司付費(fèi)讓一家生物技術(shù)公司從細(xì)菌中提取和濃縮大量純凈的、可降解塑料的酶。然后，該公司的科學(xué)家會(huì)將塑料米粒放置于一個(gè)高數(shù)米的密封鋼制容器中，其中裝有水和酶的溶液。在相鄰的實(shí)驗(yàn)室里，你可以在較小的容器中觀察和研究其反應(yīng)。在容器內(nèi)，灰白色的塑料米粒像雪球中的雪花一樣旋轉(zhuǎn)著。隨著時(shí)間的推移，塑料會(huì)逐漸分解，其組分會(huì)溶解在溶液中，最后只剩下在玻璃容器中翻滾攪動(dòng)的帶有灰色色調(diào)的液體。此液體現(xiàn)在不再含有固體 PET，而只含有兩種被稱為乙二醇和對(duì)苯二甲酸的液體化學(xué)物質(zhì)，它們可以提取出來(lái)制成新的塑料。
Carbios 公司研發(fā)的這種技術(shù)似乎可以輕松實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。兩年前，該公司僅能在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下回收幾千克塑料；現(xiàn)在，他們每天都能處理約 250 公斤的塑料。2025 年，該公司還將在與比利時(shí)接壤的邊境地區(qū)新設(shè)一個(gè)更大的工廠，日處理量將達(dá)到 130 噸以上。
斯里蘭卡城市 Panagoda 某塑料回收廠的工人正在整理回收塑料瓶制成的塑料芯片。圖片來(lái)源：Ishara S Kodikara/AFP/Getty Images
法國(guó)之所以已經(jīng)建成了利用細(xì)菌技術(shù)回收塑料的工廠，而美國(guó)和中國(guó)沒(méi)有，是因?yàn)榉▏?guó)政府已經(jīng)將塑料廢物作為當(dāng)務(wù)之急，并設(shè)定了到 2025 年法國(guó)使用的所有塑料包裝必須全部是回收利用的目標(biāo)。雖然環(huán)保人士更傾向于完全停止生產(chǎn)新的塑料，但法國(guó)總統(tǒng)馬克龍（Macron）認(rèn)為，未來(lái)幾十年仍將需要一定量的高品質(zhì)新塑料，他還在自己的領(lǐng)英賬號(hào)上點(diǎn)名表?yè)P(yáng)了 Carbios 公司。這種壓力似乎正在見(jiàn)效。無(wú)論是歐萊雅（L’Oréal）、雀巢（Nestlé），還是戶外用品制造商所羅門(mén)（Salomon），法國(guó)一些大型制造商都已經(jīng)和 Carbios 公司簽約，委托該公司去處理其塑料廢物。隨著世界各地政府開(kāi)始逐步兌現(xiàn)減少塑料廢物的宏偉承諾，更多國(guó)家也可能會(huì)效仿這種做法。
值得一提的是，這類(lèi)工廠絕不是萬(wàn)能解決方案。酶回收過(guò)程是一系列非常復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)，隨著規(guī)模的擴(kuò)大，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)大自然是無(wú)情的“會(huì)計(jì)師”。如果我們追蹤各種所需投入的資源以及其碳排放，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)清洗塑料、加熱和冷凍所需的能源成本非常高?；瘜W(xué)反應(yīng)本身會(huì)使周?chē)芤核峄?，就像室外游泳池一樣，必須不斷向溶液中添加化學(xué)堿以保持接近中性。每次反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生數(shù)千克硫酸鈉副產(chǎn)物。硫酸鈉有許多用途，包括制造玻璃和洗滌劑，但是從制造化學(xué)堿到運(yùn)輸硫酸鈉進(jìn)一步利用，都會(huì)增加環(huán)境成本和操作方面的挑戰(zhàn)。
在 Carbios 工廠綜合體一間明亮的會(huì)議室里，該公司首席執(zhí)行官埃馬紐埃爾·拉當(dāng)（Emmanuel Ladent）告訴我，公司當(dāng)前的回收工藝比生產(chǎn)新塑料減少了 51% 的碳排放量。此外，該工藝還減少了對(duì)石油開(kāi)采的需求，不會(huì)凈增加塑料總量。拉當(dāng)總結(jié)道：“這是非常不錯(cuò)的開(kāi)始，但我們希望能做得更好?！?Carbios 公司目前還沒(méi)有公開(kāi)發(fā)布有關(guān)分析數(shù)據(jù)，但幾位熟悉該領(lǐng)域的科學(xué)家告訴我，這種回收工藝在理想情況下可以達(dá)到減少碳排量一半的效果。
Carbios 公司及其背后的科學(xué)家——圖盧茲大學(xué)（University of Toulouse）生物學(xué)家阿蘭·馬蒂（Alain Marty）和文森特·圖爾尼耶（Vincent Tournier），在這一領(lǐng)域已有 10 多年的研究經(jīng)驗(yàn)。在小田教授公布其團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)后，許多其他科學(xué)家才開(kāi)始進(jìn)行類(lèi)似的研究。但馬蒂和圖爾尼耶早在 2000 年代中期就開(kāi)始了這項(xiàng)研究。他們使用了一種不同的酶，即“葉肥酶”（LCC）。這種酶并非是進(jìn)化來(lái)作用于塑料的，但馬蒂和圖爾尼耶認(rèn)為它有這個(gè)潛力。這種酶可以作用于葉蠟涂層，而葉蠟涂層與塑料具有密切相似性。馬蒂最近告訴我：“它的弱點(diǎn)在于不太適合高溫，但不管怎樣，這也是一個(gè)好的開(kāi)頭?！?從過(guò)去無(wú)數(shù)輪的基因工程來(lái)看，這種酶顯然是有效的。
美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的研究小組負(fù)責(zé)人貝克漢姆表示，葉肥酶“確實(shí)是一種非常出色的酶”。但他也指出，它仍然存在一些缺陷，比如更喜歡高度加工的塑料，也不是特別擅長(zhǎng)在其自身反應(yīng)產(chǎn)生的酸性溶液中工作。貝克漢姆認(rèn)為，大阪堺菌所產(chǎn)生的酶可能是專門(mén)進(jìn)化用于攻擊塑料的，因此具有更大的改進(jìn)潛力。當(dāng)然，科學(xué)家之間也存在一定的競(jìng)爭(zhēng)，因此往往會(huì)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的工作持懷疑態(tài)度。當(dāng)我向 Carbios 公司的馬蒂提起貝克漢姆的評(píng)論時(shí)，他回應(yīng)說(shuō)：“每當(dāng)有新的酶出現(xiàn)時(shí)，例如最近的大阪堺菌酶，都會(huì)引起很大的轟動(dòng)。我們也會(huì)進(jìn)行測(cè)試，但根據(jù)我們的測(cè)試，它們的效果并不佳?！痹谘芯咳~肥酶近 20 年后的今天，他仍然對(duì)其充滿信心。
微生物降解塑料，潛力無(wú)限但道阻且長(zhǎng)
高度進(jìn)化的微生物是否能幫助我們擺脫塑料危機(jī)，科學(xué)界仍存在爭(zhēng)議。一些科學(xué)家認(rèn)為，這種技術(shù)仍然存在局限性?！蹲匀弧罚∟ature）雜志最近發(fā)表的一篇綜述指出，由于斷裂化學(xué)鍵需要消耗巨大能量，許多類(lèi)型的塑料可能永遠(yuǎn)無(wú)法高效地進(jìn)行酶促降解。樸茨茅斯大學(xué)的皮克福德教授了解這些局限性，但他認(rèn)為仍有許多可行的目標(biāo)。他說(shuō)：“尼龍難以降解，但仍有可能。聚氨酯也是如此?！?Carbios 公司的科學(xué)家們也持類(lèi)似觀點(diǎn)，他們預(yù)計(jì)在幾年內(nèi)研發(fā)出尼龍回收工藝。如果這些預(yù)測(cè)成真，大約四分之一的塑料將實(shí)現(xiàn)真正的可回收。如果對(duì)所有從理論上可降解的塑料都能找到匹配的酶，那近一半的塑料廢物都可能被利用。
然而，大多數(shù)科學(xué)家的目標(biāo)仍然是利用酶將舊塑料轉(zhuǎn)化為新塑料。這種回收方法從規(guī)模上來(lái)講存在局限性，也令人相當(dāng)沮喪。雖然從經(jīng)濟(jì)上講是有意義的，但它仍然會(huì)產(chǎn)生塑料并消耗能源。回收雖然可以減緩新塑料的生產(chǎn)，但卻無(wú)法收回已經(jīng)釋放到自然環(huán)境中的大量塑料，其中大部分仍然過(guò)于分散、難以收集，并造成嚴(yán)重污染。
目前，我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能夠像分解有機(jī)物那樣真正分解未經(jīng)處理的塑料的微生物，這一過(guò)程就像在大約一年的時(shí)間里將一堆碳（例如人體）分解成僅剩無(wú)法降解的骨骼碎片一樣。當(dāng)科學(xué)家在垃圾場(chǎng)的塑料瓶堆或海洋上漂浮的垃圾島上發(fā)現(xiàn)了“啃食”塑料的微生物時(shí)，這些微生物最多只算是在輕微地啃食。就像對(duì)待剛長(zhǎng)牙的嬰兒一樣，如果不對(duì)塑料進(jìn)行軟化和預(yù)處理，這些微生物對(duì)任何東西都不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。
但值得一提的是，微生物確實(shí)有能力將地球上一些最有毒的毒素?zé)o害化，并在此過(guò)程中凈化整個(gè)環(huán)境。這種方法對(duì)于已經(jīng)存在于地球上數(shù)百萬(wàn)年的化學(xué)物質(zhì)最有效，因?yàn)槲⑸镆呀?jīng)進(jìn)化出了對(duì)這些物質(zhì)的分解能力。例如，在 1989 年?？松郀柕纤固?hào)（Exxon Valdez）石油泄漏事件中，大部分原油的清除工作都是由天然的可分解石油的細(xì)菌完成的。為促進(jìn)這些細(xì)菌的生長(zhǎng)，人們沿海岸線施撒了近 5 萬(wàn)公斤氮肥。同樣，在 2012 年倫敦奧運(yùn)會(huì)開(kāi)賽前，為了清理斯特拉特福（Stratford）一個(gè)用作奧林匹克公園的工業(yè)污染區(qū)，負(fù)責(zé)清理該場(chǎng)地的委員會(huì)將超過(guò) 2000 輛裝滿受石油和其他化學(xué)物質(zhì)污染的土壤運(yùn)送到了其他地點(diǎn)，然后在那里向土壤中注入將氮?dú)夂脱鯕?，這個(gè)過(guò)程持續(xù)了數(shù)周時(shí)間，以此促進(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖，從而消耗土壤中的毒素。隨后，這些土壤又被運(yùn)回斯特拉特福，用于建造奧林匹克公園。
是否可以用同樣的方法來(lái)解決環(huán)境中的塑料問(wèn)題？目前，人們對(duì)這一問(wèn)題的關(guān)注和投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于提高回收效率的潛力。西班牙馬德里國(guó)家生物技術(shù)中心（National Biotechnology Centre）的科學(xué)家維克多·迪洛倫佐（Victor di Lorenzo）說(shuō)：“￥無(wú)論是二氧化碳還是塑料廢棄物，清理它們都沒(méi)有市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力。回收塑料是有投資回報(bào)的。但對(duì)于更大規(guī)模的項(xiàng)目，誰(shuí)來(lái)買(mǎi)單呢？這些項(xiàng)目將造福于整個(gè)社會(huì)。只有公共支持才能解決這個(gè)問(wèn)題?！?/p>
除了市場(chǎng)方面的問(wèn)題，還存在法律方面的障礙。在大多數(shù)國(guó)家，如果沒(méi)有特殊許可，經(jīng)基因改造的微生物通常都不允許釋放到環(huán)境中。這種許可極難獲取，其原因也很明顯。在 1971 年出版的科幻小說(shuō)《59 號(hào)突變體：塑料吞噬者》（Mutant 59: The Plastic Eater）中，一種能瞬間融化塑料的病毒在全世界蔓延開(kāi)來(lái)，導(dǎo)致許多飛機(jī)墜毀和房屋坍塌。雖然在真實(shí)世界中可降解塑料的細(xì)菌都不太可能有這樣的能力，但不可否認(rèn)的是，擾亂微生物的確可能會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。
不過(guò)，在迪洛倫佐眼中，這項(xiàng)工作的危險(xiǎn)性極小。他指出，人們最初抵制轉(zhuǎn)基因生物，是因?yàn)榭茖W(xué)家傲慢自大，似乎一切都與支配自然和獲利有關(guān)。但他認(rèn)為，我們有機(jī)會(huì)重新展開(kāi)這項(xiàng)對(duì)話，在科學(xué)和自然界之間建立新的合作伙伴關(guān)系。如果我們誠(chéng)實(shí)地向公眾闡述，他們可以決定是否值得承擔(dān)其中的風(fēng)險(xiǎn)。
與微生物建立更深層次的伙伴關(guān)系前景無(wú)限。歐盟已經(jīng)向多個(gè)團(tuán)隊(duì)提供了資助，支持他們開(kāi)發(fā)可以將塑料轉(zhuǎn)化為可完全生物降解材料的微生物和酶。去年，德國(guó)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)成功將大阪堺菌的 PET 酶轉(zhuǎn)移到海洋藻類(lèi)中，并指出未來(lái)可以利用這種藻類(lèi)來(lái)降解海洋中的微塑料。
小田教授深信，我們對(duì)微生物降解塑料的能力還知之甚少。20 年前，他和同事在垃圾場(chǎng)發(fā)現(xiàn)大阪堺菌時(shí)，它并非在單獨(dú)工作。小田教授稱：“當(dāng)我看到微生物薄膜覆蓋在塑料上時(shí)，我就知道有許多微生物在協(xié)同工作。”他的團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，在大阪堺菌將塑料分解為具有工業(yè)價(jià)值的前體物質(zhì)時(shí)，還有其他微生物在進(jìn)一步將這些前體物質(zhì)咀嚼成微生物群落可以利用的簡(jiǎn)單營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。這些微生物之前存在共生關(guān)系，在某種程度上，它們是合作伙伴。自此以后，小田教授還在幾篇論文中指出，可以將微生物群落開(kāi)發(fā)成從土壤中消除微塑料和納米塑料的系統(tǒng)。但他的研究幾乎沒(méi)有引起任何關(guān)注。
在我們的交流中，小田教授反復(fù)感嘆，想將他和同事的發(fā)現(xiàn)商業(yè)化的人缺乏真正改變世界的眼光。人們對(duì)能夠?qū)⑴f塑料轉(zhuǎn)化為新塑料的工廠異常興奮，而對(duì)于一個(gè)能夠?qū)⑺芰现匦罗D(zhuǎn)變?yōu)樗涂諝獾墓S，興趣似乎就少得多了。
譯者：俊一
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