塑料由于其獨特的性能已經(jīng)成為國民經(jīng)濟中的支柱，它在當(dāng)今的生產(chǎn)生活中具有重要且不可替代的地位。上到復(fù)雜精密的航空航天，下到簡單日常的吃飯逛街，幾乎每個地方每個瞬間都能看到塑料的身影。預(yù)計在2040年，全球塑料的生產(chǎn)量將會達到每年8億噸，其中的絕大部分在很短的生命周期之后，就會變成難以處理的塑料垃圾。由于人們需要保證塑料材料的硬度、強度、耐用性、穩(wěn)定性，因此塑料幾乎都難以自然降解。當(dāng)前對于塑料垃圾的處理方式通常是填埋和焚燒，這些方式給環(huán)境保護帶來了巨大的壓力，而且這種“生產(chǎn)-廢棄-處理”的單向過程也不符合循環(huán)經(jīng)濟的理念。因此，以物質(zhì)回收為目標(biāo)的塑料循環(huán)再生處理技術(shù)就變得非常有必要，一方面保護環(huán)境，降低碳排放，另一方面也是節(jié)約資源的重要手段。目前，已經(jīng)存在一些工業(yè)化應(yīng)用的塑料回收利用手段，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的溶劑分解和含聚烯烴混合塑料的熱解。但總體而言，這些技術(shù)的回收效率、回收物價值、商業(yè)及環(huán)境成本、適用范圍等都不是特別讓人滿意。去年，IUPAC也將“塑料降解”列入“十項將改變世界的化學(xué)創(chuàng)新”之中（點擊閱讀詳細(xì)）。

設(shè)想的基于生物技術(shù)的塑料循環(huán)經(jīng)濟。圖片來源：Nat. Catal.

在不少人眼中，基于生物技術(shù)的塑料降解和回收技術(shù)能耗低、效率高、環(huán)境友好，有非常好的前景。近日，德國格賴夫斯瓦爾德大學(xué)的Uwe T. Bornscheuer和亞琛工業(yè)大學(xué)的Lars M. Blank等研究者在Nature Catalysis 上總結(jié)了塑料生物降解技術(shù)的發(fā)展趨勢，對相應(yīng)的優(yōu)勢和局限進行了概括。

Uwe T. Bornscheuer教授。圖片來源：University of Greifswald

高分子材料中的主鏈化學(xué)鍵類型對生物降解能力有很大影響。一般情況下，主鏈含酯鍵或酰胺鍵等可水解鍵的少數(shù)幾類塑料可以通過酶法轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)確定的低聚物或單體，可被重復(fù)再利用于塑料生產(chǎn)或升級為價值更高的產(chǎn)品。比如，聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）通過酶水解作用在原則上可以得到對苯二甲酸和乙二醇，以及合成聚酰胺（PA），可以被酶水解為二胺/二酸或ω-氨基羧酸。而對于聚氨酯（PUR），由于化學(xué)成分更加復(fù)雜，只有少數(shù)幾種類型才能回收。迄今為止，還沒有具有顯著PA和PUR解聚活性的酶見諸報道。而對于只含有飽和碳碳鍵主鏈的材料，通常需要借助紫外線或者強氧化劑的輔助在高分子中引入雙鍵或者氧原子，以便于生物降解。

這里著重說下PET這種聚酯的生物降解進展。一方面是這種塑料的產(chǎn)量占世界上聚合物總產(chǎn)量的18%，高居第四，而且這種塑料常用于各種飲食包裝，是最常見的生活垃圾。另一方面是因為酯鍵的生物降解過程相對來說比較容易，最近很是取得了一些進展。比如，2016年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種對PET 塑料有天然“食欲”的細(xì)菌（Ideonella sakaiensis），可以將PET作為其主要的碳源和能量來源（Science, 2016, 351, 1196-1199, 點擊閱讀詳細(xì)）?？上У氖沁@些細(xì)菌喜歡非晶的PET，而不是在實際產(chǎn)品中使用的結(jié)晶態(tài)PET；另外環(huán)境條件下降解緩慢，不太適于在工業(yè)上使用。在此之外，科學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)其他幾種可以降解PET的酶，并通過生物工程技術(shù)對酶進行改進。比如，今年4月法國圖盧茲大學(xué)Alain Marty等研究者以Nature 封面文章的形式報道了經(jīng)過基因工程改進的角質(zhì)酶LCC（leaf-branch compost cutinase），可以高效降解PET，而且降解產(chǎn)物可以重新作為合成PET的原料（Nature, 2020, 580, 216-219, 點擊閱讀詳細(xì)）。更讓人高興的是，這種技術(shù)很有希望進行商業(yè)化，Marty表示，“該工藝將于2021年在我們位于里昂附近的法國化學(xué)谷中心的示范工廠進行進一步的測試。” [1]不過，這種回收策略在經(jīng)濟上的可行性很大程度上取決于石油的價格，油價越低，基于石化產(chǎn)品的塑料材料相對于再生塑料在價格上就更有競爭力。

Alain Marty等人的Nature 封面工作。圖片來源：Nature

另一種塑料的升級再利用策略，有些類似于木質(zhì)纖維素生物技術(shù)基于玉米秸稈或小麥秸稈生產(chǎn)生物乙醇，即將塑料生物降解之后的單體產(chǎn)物用于另一生物催化過程以合成高價值的分子。這種策略一般需要偶聯(lián)兩個不同的生物催化步驟：第一步，塑料被生物降解產(chǎn)生單體，第二步，基于酶催化或微生物生物合成，這些單體被用于生產(chǎn)更高價值的分子。例如，Lars M. Blank自己的團隊今年報道了一種PET的升級再利用生物方法（bioRxiv, 2020, DOI: https://doi.org/10.1101/2020.03.16.993592），他們將Pseudomonas putida 直接生長于PET酶法降解所得的水解產(chǎn)物中，生產(chǎn)中等鏈長的聚羥基脂肪酸酯（PHA），他們還設(shè)計了另外一種基因工程P. putida 菌株，可基于PET酶降解產(chǎn)物生產(chǎn)用于合成新型PUR的單體。當(dāng)然，這類技術(shù)如果希望實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用還需進一步簡化并提高效率。比如，如果能夠統(tǒng)一不同催化步驟的反應(yīng)條件（例如溫度、pH、緩沖液），就有可能使用微生物混合培養(yǎng)的方法實現(xiàn)一鍋法?；蛘撸谝徊娇梢杂矛F(xiàn)有技術(shù)代替，例如塑料熱解，以提供液體熱解產(chǎn)物作為第二步酶催化或微生物生物合成的原料。但無論如何，要盡量避免第一步中所得小分子原料的分離和純化步驟。

PET的升級再利用策略。圖片來源：bioRxiv

在微生物與酶之外，人們也發(fā)現(xiàn)一些昆蟲的幼蟲可以直接吃掉塑料，比如西班牙國家研究委員會的Federica Bertocchini等人發(fā)現(xiàn)蠟蟲能夠啃食聚乙烯塑料（Curr. Biol., 2017, 27, R292-R293，點擊閱讀詳細(xì)），這可能是因為聚乙烯與蠟蟲的食物蜂蠟具有類似的結(jié)構(gòu)（下圖）。但是，這些蟲子是否真的能消化掉塑料，相關(guān)工作卻沒有給出確切的證據(jù)。從宏觀上來看，確實存在塑料的降解，但是這種降解究竟是機械作用（如咀嚼）的結(jié)果，還是我們更希望看到的微生物與酶參與的生物裂解的結(jié)果，還需要詳細(xì)的加以區(qū)別。目前給出確切結(jié)果的研究并不多，比如，北航楊軍教授、江雷教授等人通過抗生素抑制證明了黃粉蟲（mealworm）腸道微生物對于PS的生物降解和礦化作用（Environ. Sci. Technol., 2015, 49, 12087–12093），他們還用放射性標(biāo)記的PS進行了追蹤實驗，確認(rèn)了生化礦化作用（Environ. Sci. Technol., 2015, 49, 12080–12086）。另外，一些酶催化體系現(xiàn)在已經(jīng)被證實在催化塑料降解方面具有很大的應(yīng)用潛力，比如漆酶，它具有耐高溫的特點，但是在微生物體內(nèi)野生型的酶催化降解塑料的活性還沒有見諸報道。因此，作者認(rèn)為研究人員在發(fā)表文章時應(yīng)該注意實驗結(jié)果以及相應(yīng)機理的研究，比如通過同位素標(biāo)記實驗追蹤生物降解過程，研究清楚塑料降解的分子機理。而不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膱蟮啦粌H會擾亂學(xué)術(shù)界的認(rèn)知，更嚴(yán)重的還可能會給公眾和媒體帶來錯誤的概念和虛假的希望，使他們誤以為“塑料垃圾危機很快就會被解決，所以隨意丟棄塑料垃圾也沒有問題”，這會導(dǎo)致更嚴(yán)重的污染問題。

蠟蟲吃掉聚乙烯塑料。圖片來源：Curr. Biol.

為什么塑料難以自然降解？一個可能的原因是這種人造材料的歷史相對于幾十億年的生命進化史來說太過于短暫，自然界中還沒有進化出可以專門以“吃”塑料為生的生物。我們當(dāng)然不能坐等自然界的緩慢進化，因此，通過基因工程的手段將降解塑料的能力引入現(xiàn)有微生物，一直是塑料降解領(lǐng)域的研究重點。但是將轉(zhuǎn)基因生物（GMO）故意釋放到開放環(huán)境中以降解塑料，一直是被世界各國嚴(yán)令禁止的，畢竟這些轉(zhuǎn)基因生物不僅會降解污染環(huán)境的塑料，還會影響人們正在使用的塑料，最終會帶來什么結(jié)果還是無法估量。而且，坦率地說，目前公眾對于轉(zhuǎn)基因生物并不信任，再加上一些別有用心者“妖魔化”轉(zhuǎn)基因技術(shù)，使用這些微生物還會引發(fā)關(guān)于轉(zhuǎn)基因生物本身風(fēng)險的爭論。這個問題，需要引起科學(xué)家和科學(xué)媒體的重視，避免對民眾的誤導(dǎo)。

在塑料生物降解技術(shù)還沒有確定決定性突破的現(xiàn)在，作者認(rèn)為還是有一些工作可以做在前面。比如，各國應(yīng)該限制并減少一次性塑料制品的使用，降低并限制不可降解塑料材料的生產(chǎn)與使用，建立有效的廢物處理設(shè)施來收集、運輸、分類和回收使用過的塑料，加大對于塑料生物降解技術(shù)以及循環(huán)再利用技術(shù)與產(chǎn)品的研發(fā)支持和政策傾斜，鼓勵使用可生物降解的塑料（例如聚乳酸（PLA）和PHA）代替其不可生物降解的塑料（要注意，許多被稱為可生物降解的聚合物材料在天然土壤和水環(huán)境中不能降解）等等。

不同類型的塑料與其特點。圖片來源：Nat. Catal.

最后，在理想的塑料循環(huán)經(jīng)濟成功建立之前，作者提出了應(yīng)對塑料污染危機的“6R”原則（rethink、refuse、reduce、reuse、recycle、replace）。雖然現(xiàn)在僅依靠酶或微生物等生物技術(shù)手段絕不可能去處理已經(jīng)在環(huán)境中存在的數(shù)十億噸塑料垃圾，但我們每個人都可以行動起來，改變生活方式，為解決塑料污染危機貢獻力量。

原文（掃描或長按二維碼，識別后直達原文頁面）：

Possibilities and limitations of biotechnological plastic degradation and recycling

Ren Wei, Till Tiso, Jürgen Bertling, Kevin O'Connor, Lars M. Blank, Uwe T. Bornscheuer 

Nat. Catal., 2020, 3, 867–871, DOI: 10.1038/s41929-020-00521-w