吃掉塑料的酶

研究人員找到了一種可以將塑料消解、回到構(gòu)成它的基礎(chǔ)化學(xué)物質(zhì)的酶，這一發(fā)現(xiàn)或許能夠解決令人頭疼的塑料垃圾泛濫的問題。

南方周末特約撰稿 祝葉華

塑料無處不在，即使在那些你可能想不到的東西上也有塑料存在。每當(dāng)這些物品被扔掉或被沖到水槽里時，污染物就有更多的機會進(jìn)入環(huán)境并造成傷害。2017年有研究結(jié)果稱，每年有八百多萬噸塑料被傾倒入世界海洋，人們對這種石油衍生產(chǎn)品對人類健康和環(huán)境的有毒遺產(chǎn)的擔(dān)憂日益加劇。

長期以來，塑料制品的生產(chǎn)都被認(rèn)為是單向運行的。最近英國樸次斯大學(xué)和美國能源部國家可再生能源實驗室的研究人員意外地找到了解決這個問題的方法，他們創(chuàng)造了一種讓塑料生產(chǎn)過程可逆的酶，這種酶可以將塑料消解，回到構(gòu)成它的基礎(chǔ)化學(xué)物質(zhì)，這一發(fā)現(xiàn)可以改善塑料垃圾的回收和利用問題。

意外發(fā)現(xiàn)的酶

在基礎(chǔ)科學(xué)研究中，機緣巧合常常扮演著重要的角色。

2016年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)Ideonella sakaiensis這種新的細(xì)菌可以顯示出以纖維塑料為食物的能力，它們能夠分解一種被稱為PET降解酶（PETase酶）的蛋白質(zhì)來降解PET（PET是聚對苯二甲酸乙二醇酯，這種塑料占世界上聚合物總產(chǎn)量的18%，是食品和飲料行業(yè)最流行的一種塑料形式，僅次于聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯）。自從塑料在20世紀(jì)60年代流行起來后，巨大的塑料垃圾就會被發(fā)現(xiàn)漂浮在海洋中，或者被沖到世界上曾經(jīng)的原始海灘上。由于塑料在過去的80年里才存在，所以Ideonella sakaiensis被認(rèn)為在最近幾年進(jìn)化出了消化塑料的能力。

英國樸次斯大學(xué)和美國能源部國家可再生能源實驗室的科學(xué)家們將研究目標(biāo)鎖定在這種可以降解塑料的細(xì)菌上，使用一種名為X射線衍射的技術(shù)來捕捉PETase 3D結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。他們的本意是通過計算細(xì)菌的結(jié)構(gòu)來了解PETase酶的工作方式，但鬼使神差地向前多走了一步，最終意外地設(shè)計了一種功能更強大的酶（升級版的PETase酶），使它能夠更好地分解PET塑料，研究結(jié)果發(fā)表于《美國科學(xué)院院報》（PNAS）上。

兩國科學(xué)家得到了PETase酶的X射線晶體結(jié)構(gòu)，揭示了角質(zhì)酶（cutinase）和脂肪酶（lipases）共有的特征。角質(zhì)酶是一種在真菌和細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的酶，可以降解特定的塑料。與角質(zhì)酶不同的是，PETase不僅保留了“祖先”的α/β-水解酶的褶皺，同時也表現(xiàn)出比同源的角質(zhì)酶更開放的活性位點。研究人員猜測活性位點的存在或許就是升級版PETase酶降解塑料能力大增的原因所在。為了驗證這一想法，他們使PETase的活性位點發(fā)生突變，讓它更像“角質(zhì)酶”，結(jié)果證實，實驗室制造的突變體具有超強的能力，可以分解PET，并將它轉(zhuǎn)化為最初的化學(xué)物質(zhì)。額外的蛋白質(zhì)工程提高了PETase的性能，使得這種突變酶甚至比天然PETase酶的效果還要好。

在自然界中，酶通過分解現(xiàn)有的化學(xué)物質(zhì)來改變它們。通常酶的存在會創(chuàng)造新的物質(zhì)，不過它們有時也可以逆向還原成原先的化學(xué)成分。研究人員說，他們現(xiàn)在正致力于進(jìn)一步改進(jìn)這種酶，希望最終能將其擴大到工業(yè)用途，以分解塑料。盡管這種改進(jìn)是適度的，但這個意外的發(fā)現(xiàn)表明，科學(xué)家還有進(jìn)一步改進(jìn)這些酶的空間。科學(xué)家們希望，這種吃塑料的工程酶可以引發(fā)一場循環(huán)革命。

食塑者的隊伍

土葬、火葬、海葬是塑料垃圾的常見的處理方式，但都會給環(huán)境帶來污染和負(fù)擔(dān)。塑料制品和塑料廢料是同一枚硬幣的兩面，在產(chǎn)品設(shè)計階段就應(yīng)該兼顧回收的問題。2012年，哈佛大學(xué)教授大衛(wèi)·愛德華茲（David Edwards）利用藻類和鈣的混合物，模擬食物的自然包裝狀態(tài)，給食物配備一個可以食用或者降解的外包裝。2016年，印度的Narayana Peesapati利用大米粉、小麥粉和高粱粉制作了一種可食用的勺子，以期降低塑料餐勺的使用。

除了源頭控制，對于已經(jīng)生產(chǎn)出來的塑料進(jìn)行生物降解，也是努力的方向之一。

早在2015年，北京航空航天大學(xué)楊軍教授研究組、深圳華大基因公司趙姣博士等在《環(huán)境科學(xué)技術(shù)》（Environmental Science & Technology）上合作發(fā)表了兩篇姊妹研究論文，稱他們發(fā)現(xiàn)了黃粉蟲（面包蟲）的幼蟲可以降解聚乙烯類塑料。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，黃粉蟲以聚苯乙烯泡沫塑料為唯一食物來源，塑料在黃粉蟲腸道快速生物降解，可以存活1個月以上，并最終發(fā)育成成蟲。2016年，日本科學(xué)家在《科學(xué)》（Science）發(fā)文解釋，他們在分子層面上對塑料的分解進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)了食用塑料纖維的細(xì)菌Ideonella sakaiensis。這種細(xì)菌可以附著在PET塑料上“茁壯成長”，將PET作為其主要的碳源和能量來源。研究人員推測，只要將溫度控制在30℃，這種細(xì)菌就能利用6周時間分解一片PET薄膜。

2017年法國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種愛吃塑料的毛毛蟲——蠟蟲（螟蛾的幼蟲）。研究人員將幾百只蠟蟲放在一個超市塑料袋的上面，不到40分鐘的時間，窟窿開始出現(xiàn)在塑料袋上，12小時之后，蠟蟲吃掉了92毫克塑料，后續(xù)的測試證實，蠟蟲可以完全消化“塑料餐”。而此次英國樸次斯大學(xué)和美國能源部國家可再生能源實驗室的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的可以降解塑料的酶，是在Ideonella sakaiensis食塑細(xì)菌上開發(fā)出的，他們升級了該細(xì)菌內(nèi)部降解塑料的酶，壯大了食塑者的隊伍。

塑料失蹤之謎

2017年7月，一項發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）的研究論文稱，20世紀(jì)50年代初以來，人類已經(jīng)生產(chǎn)了83億噸塑料制品，其中約63億噸已成為塑料垃圾。在這63億噸塑料垃圾中，9%被回收利用，12%被焚燒，79%進(jìn)入垃圾填埋場或者自然環(huán)境中。研究人員預(yù)測，如果按照目前的產(chǎn)量和廢物管理模式發(fā)展下去，預(yù)計到2050年會產(chǎn)生120億噸塑料垃圾。

通常情況下，就像一次性咖啡杯、飲料瓶、糖果包裝紙和其他塑料包裝一樣，這都是在短暫的一次性“放縱”之后發(fā)生的。如果這些東西最終被扔到海里，它就會被沖到遠(yuǎn)處的海灘上，這或許會讓一只海豹窒息。而暴露在鹽水和紫外線下的塑料，又可以分解成微小的塑料小塊，進(jìn)入魚類肚子，自此開始了一段短暫的餐盤之旅。2016年一篇發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上的研究論文中提到，微塑料會影響魚群的生態(tài)種群，同時也間接說明，受到微塑料污染的魚類很有可能會被搬上人類餐桌。2017年5月，一篇發(fā)表在《科學(xué)報告》（Scientific Reports）上的研究論文稱，海洋中的塑料污染不僅直接進(jìn)入魚類體內(nèi)，同時也進(jìn)入人類食用的海鹽中。

2016年發(fā)布的一份報告顯示，到2050年，除非世界采取激烈的行動來加強塑料的進(jìn)一步循環(huán)利用，否則世界海洋中塑料垃圾的數(shù)量將超過魚類。

但也有研究人員開始注意到，在一些研究中，“記錄在冊”的塑料本應(yīng)隨著時間的推移而增加，但測量結(jié)果和計算模擬得到的數(shù)據(jù)卻顯示事實并非如此，甚至有調(diào)查發(fā)現(xiàn)海洋中塑料的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。例如，2017年5月，一篇發(fā)表在《生態(tài)和環(huán)境前沿》（Frontiers in Ecology and the Environment）上的文章就稱，海洋中有部分塑料“失蹤”了，在深入研究之后，研究人員發(fā)現(xiàn)，海洋中“消失”的塑料并非是任何認(rèn)真回收工作的結(jié)果，微塑料碎片與海洋生物之間的相互作用可能在重新分配海洋中的塑料方面發(fā)揮重要作用。科學(xué)家給出了幾種海洋丟失塑料可能的解釋。其一，可能是海洋中的某些微生物進(jìn)化出了降解塑料的能力。研究發(fā)現(xiàn)，依附在漂浮塑料上的微生物與周圍水域的微生物略有不同，這或許表明一些微生物正在以污染物為食，塑料正在創(chuàng)造一個全新的生態(tài)系統(tǒng)，有科學(xué)家稱之為“塑料生態(tài)圈”。

另外一種解釋則是，殖民生物增加了塑料的重量，所以部分漂浮的塑料有可能只是沉入海底或者分解成更微小的碎片，以至于它不會被研究船的漁網(wǎng)捕獲。它也可能被生物體吞噬，或者被洋流帶到意想不到的地方。