《科学》杂志在其2021年7月2日一期中专门开辟了一个特别专题介绍塑料的环境污染问题，专题名为“塑料：我们的两难处境”，里面包含了四篇综述、两篇观点、两篇新闻特写、一篇政策讨论和一篇研究报道，这种密集报道在《科学》杂志是不常见的，它足以反映出塑料问题的重要性和社会关注度。随着世界都在为如何处理塑料而苦苦挣扎，一些科学家希望可以从微生物上找到部分答案。消化PET的酶包括细菌酶PETase已经发现，但是仍然存在很多阻碍，怀疑论者警告说酶的作用太慢，商业上能否成功？看看Warren Cornwall在《THE PLASTIC EATERS》一文中如何阐述...
穆罕默德·礼萨·科尔多瓦(Muhammad Reza Cordova)正在印度尼西亚雅加达周围的海滩、珊瑚礁和红树林中寻找水瓶、塑料袋和塑料泡沫杯中的宝藏。在一些垃圾表面富含微生物的粘液涂层中，他希望寻找有某种机体来帮助解决将要淹没地球的塑料垃圾问题。
科尔多瓦是一名海洋生物学家，他收集粘液样本并将其带回他在印度尼西亚海洋学研究中心，他计划在那里培养微生物并只喂它们塑料，看看能茁壮成长出来点什么。 “我们希望能找到最有效的微生物来吞噬或降解塑料，”他说。世界各地的研究人员都在进行着同样的探索。他们正在黄石国家公园的灼热温泉、太平洋的偏远岛屿海滩以及日本的塑料回收工厂等地寻找咀嚼塑料的微生物。一些科学家已经发现了能够利用酶分解用于制造水瓶和衣服的普通塑料的细菌。
用一种酶分解塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET） 48 小时后，科学家们认为微生物的酶(加速化学反应的蛋白质)可能有助于回收某些种类的塑料，其中大部分塑料被掩埋在垃圾填埋场、燃烧或冲入河流和海洋。虽然工业化学品可以分解塑料，但使用酶可能是一种更环保的方法，需要更少的能量，也可以针对与垃圾混合的那些塑料。 英国朴茨茅斯大学的结构生物学家约翰·麦吉汉（McGeehan）说，“大自然是最神奇的回收者，因为它不浪费任何东西，”他领导了科尔多瓦参与的酶甄选项目。
法国的一家公司已经在建造一个示范工厂，该工厂将使用酶将塑料垃圾转化为新瓶子的原材料。然而，进一步扩大规模困难重重。寻找酶只是第一步。从实验室转移到回收工厂需要克服技术和经济屏障，在这个利润微薄的行业中，新塑料比回收塑料更便宜。最重要的是，微生物在很大程度上无法使一些最普遍的塑料产生降解。“想想我们制造塑料的庞大规模和这些废弃塑料的低价值，”加州大学圣巴巴拉分校的化学工程师苏珊娜·斯科特(Susannah Scott)说，她正在开发实验室合成的金属基催化剂，以回收塑料。“通过生物法回收塑料是一项艰巨的任务。”
塑料在很多方面都是回收商的噩梦。塑料经久耐用，包含数十种不同的分子，由长链碳原子组成。这些分子都抵抗分裂，每个都具有不同的化学性质，必须以不同的方式处理。通常一个单一的物品（例如一个薯片袋）是一种令人发狂的复合塑料，很难做到通过简单处理方式回收再利用。
目前有一小部分塑料被回收利用，主要是通过分选出可用的塑料类型，将它们塑化造粒，然后再转化为较低等级的塑料原料，例如制作袋子和人造木材。根据《科学进展》2017 年的一项研究，2014 年，只有19% 的塑料被回收利用。与此同时，预计到 2050 年塑料产量将增长70%，几乎达到6亿吨/年。
进入垃圾箱的塑料会遇到各种命运。虽然有些被重复使用，但大部分被焚烧、掩埋在垃圾填埋场或倾倒在环境中。直到最近，在美国收集的塑料中有一半以上被运往海外。根据 2020 年《科学进展》的研究估计，在运往海外的材料中，多达四分之一被污染严重而无法回收。2018 年，中国停止接收大部分进口塑料垃圾，美国回收商报告称将不需要的塑料垃圾送到垃圾填埋场。“我们不能继续购买越来越多的塑料， 把它扔进蓝色垃圾桶，感觉这样就好了”，马萨诸塞州伍兹霍尔海洋教育协会的海洋学家卡拉·拉文德·劳（Kara Lavender Law）说，他一直致力于测量全球塑料污染。
生物法塑料循环再生
科学家们正在设计酶来回收塑料。这些天然蛋白质的改性版本在相对较低的温度下工作，针对混合物中的特定塑料，并产生可形成新塑料的纯单体。
1） 一个理想的回收目标是PET，这是一种用于饮料瓶和聚酯服装的聚合物。2）PET由乙二醇和对苯二甲酸单体制成的长链聚合物。3）消化PET的酶包括细菌酶PETase，它会破坏聚合物的氧碳键。4）由此产生的单体被另一种酶MHETase分解成聚合物单体。5 ）乙二醇、对苯二甲酸等产品，在加热、加压、催化剂的作用下，可再次合成PET。
酶是一种有吸引力的解决方案。与许多工业化学品不同，酶在相对较低的温度下工作，并且对它们与哪种分子相互作用很挑剔——使酶能够靶向 处理塑料混合物中的单一塑料。2016 年，日本研究人员在分析塑料回收工厂附近的泥浆后发现了一种具有不寻常特性的细菌后，科学家们开始认真寻找此类酶。科学家发现了一种对塑料有异常胃口的细菌（Science，2016年3月11日，第1196 页）。该生物体产生了两种酶，它们能够共同以PET 为食，将PET 分解成对苯二甲酸和乙二醇。一次性饮料瓶和聚酯服装中的纤维由PET 制成，约占全球塑料产量的五分之一。如今，织物回收具有挑战性，因为它经常与其他材料混合。PET瓶回收看似简单，但是 2018年美国仅有29%的PET瓶被回收。在阅读这一发现之前，麦吉汉一直在研究生物体如何使用酶来分解坚韧的植物纤维。现在，他将目光转向塑料，着手寻找其他可以靶向分解聚合物的酶。他继续在世界上一些塑料污染重点地区招募酶科学家，认为所有的塑料垃圾都可能有导致攻击它的微生物进化。
印度尼西亚是他正在寻找的一个地方，在一项检查海洋污染塑料来源的研究中排名第二，仅次于中国（Science，2015年2月13日，第768 页）。在印度尼西亚，除了从塑料垃圾中收集细菌外，科尔多瓦还计划深入研究红树林根部的淤泥。最初以坚韧的红树林叶子为食的微生物需要几十年的时间才能进化出分解附着在根部的塑料袋的能力。他还将在雅加达湾悬挂各种塑料的小标签，看看是否有任何微生物开始以它们为食。
科尔多瓦发现的任何有希望的微生物候选样本将被运送到麦吉汉的实验室。他的团队使具有潜在价值的酶结晶，然后使用 X 射线晶体学来观察它们的结构，破译它们如何与聚合物结合并打破他们的化学联系。这项工作已经产生了一些进展，形成了关于哪些特定结构酶有研究价值的见解。例如PET降解，酶的表面有一个沟槽，塑料分子可以嵌入其中。在那里，独特的三重氨基酸攻击聚合物的分子键连接单元。
使用这些信息，麦吉汉和其他人正在细菌基因组数据库中搜索编码类似分子的 DNA 序列，搜寻塑料裂解酶的潜在信号。然后，他实验室的研究人员使用计算机来模拟如何人为改进蛋白质。目标是修改天然酶基因编码使它们成为强大的塑料破坏工具。该团队已经改变了日本研究人员发现的酶，使其更有效。“我们不是在寻找自然界中的超级酶。这不太可能，”麦吉汉说。“我们只是在寻找能让塑料发痒的酶。”
他的团队并不是唯一一个进行酶甄选的团队。一个由欧洲和中国实验室组成的联盟也在努力寻找和培养细菌，其酶可以分解塑料，以及其他可以将分解产物转化为有价值化学物质的酶。来自德国、法国和爱尔兰的一组研究人员，其中包括该财团的成员，通过使用在堆肥堆中发现的一种酶的改良版本回收了PET，该酶可以分解树叶上的蜡质层。一种实验室进化的细菌菌株随后使用这些原材料制造了两种新型塑料。
美国能源部国家可再生能源实验室 (NREL) 的化学工程师格雷格·贝克汉姆 (Gregg Beckham) 表示，如果这些问题取得成功，一些塑料可能会通过用酶清洗来回收利用，就像基于酶的洗涤剂可以分解脏衣服上的食物污渍一样。贝克汉姆领导了一项耗资3200万美元的美国能源部计划，以开发新的塑料回收方法，并与麦吉汉合作进行酶搜索。5月下旬，NREL的科学家们聚集在一起测试一项计划，在该计划中，酶将帮助士兵将他们的塑料垃圾变成战场必需品的积木。
愿景是“就像一个魔盒，人们可以在其中放入塑料和其他类型的废物，如纸张。然后会出现诸如食物或擦油枪之类的东西，”贝克汉姆谈到该项目时说，该项目由国防高级研究计划局 (DARPA) 赞助。
与许多 DARPA 项目一样，这项研究距离实际应用还有很长的路要走。科罗拉多州戈尔登 NREL 实验室的科学家们将PET塑料片切成小块。这些方块被浸泡在温水、盐和堆肥中发现的一种叶子消化酶的混合物中，法国研究人员对其进行了改造，使其与塑料能更紧密地结合并能承受更高的温度。
当科罗拉多州的研究人员在24小时后返回时，84%的塑料已经溶解——这表明酶已经将塑料分解成更小的分子。贝克汉姆的目标是在1个月内分解5公斤塑料的95%他说。 “我们会把它从水里吹出来。”开发这种酶的法国公司卡比奥斯（Carbios）计划建造世界上第一家以酶为燃料的塑料回收工厂。这项工作将从克莱蒙费朗市的一个小型示范工厂开始，以测试该酶将塑料垃圾转化为新PET塑料原材料的能力。该公司表示将在2024年开设一家全流程工厂，目标是每年生产40,000吨再生塑料的原料。
打破化合键 ：PET 由碳和氧之间的键结合在一起，在化学反应中碳氧键的化学能要低于碳碳键。因此在聚乙烯和聚丙烯等许多常见塑料中的这些碳碳键更难用生物酶来打破。此类酶可能不会打破塑料回收僵局。目前它们只是在由碳原子和氧原子连接而成的塑料上效果最佳。这种聚合物，称为聚酯，也存在于植物纤维中，这些细菌已经进化了数百万年。
相比之下，具有直接碳碳连接键的塑料更坚固。它们占塑料制品的一半以上，包括无处不在的食品袋聚乙烯和聚丙烯，它们形成了一系列令人眼花缭乱的产品系列，从糖浆瓶到汽车仪表板。
每年生产的数百万吨 (Mt) 塑料包括大量针对不同功能进行调整的材料。回收过程因塑料的特性而异，因此混合物通常不能一起回收。但是酶可能能够选择性地分解混合物中的单个塑料。
近年来，科学家们报道了可以以此类塑料为食的生物，包括蜡蛾的幼虫。但贝克汉姆和其他人怀疑这些生物的化学天赋能否转化为聚乙烯或聚丙烯的实际回收利用。
酶可能很挑剔，在除PET外，许多塑料都需要高温来促进化学反应。酶也往往更有效，斯科特说，这比工业化学品慢，因此效率低下。 “你总是会回到技术经济分析，”威斯康星大学 (UW) 麦迪逊分校的化学工程师 乔治·胡伯（George Huber ）说，他领导了一个由美国能源部资助的关于将塑料回收成高价值产品的研究项目， “经济主宰一切。”
所有酶促回收方法都是如此。大多数塑料的原材料（天然气和石油）相对便宜。直到2014年担任首席技术官的化学工程师威廉班霍尔泽（William Banholzer）说，即使回收材料便宜到足以与新材料竞争，它必须集成到庞大的制造基础设施中，并满足购买塑料公司的严格要求，化学工程师威廉班霍尔泽说，他在陶氏化学公司担任首席技术官直到2014年，陶氏化学是世界上最大的塑料制造商之一。“事实是，回收仍然太昂贵，而且提供更糟糕的产品，”华盛顿大学的班霍尔泽（Banholzer）说。
在公众对塑料污染的强烈抗议之际，主要的化工公司正在投资新形式的塑料回收。但这些方法在很大程度上依赖于工业化学品。今年 1 月，伊士曼化学公司和石油和天然气巨头沙特阿美的子公司 SABIC 两家主要石化公司宣布计划建造工厂，使用处理化学方式将塑料垃圾转化为材料，以帮助制造新塑料。
SABIC 的首席技术和可持续发展官鲍勃·莫恩（Bob Maughon）表示，酶促反应对于塑料回收来说进展缓慢。目前，“我认为酶促是不现实的，”他说。
但卡比奥斯的生物学家兼首席技术官 阿兰·马蒂（Alain Marty）表示，他相信他的公司基于酶的方法可以足够快地消化PET，从而在市场上找到一席之地。他说，尽管第一家工厂产品与非回收材料的价格相比没有竞争优势，但公司将为可出售给具有环保意识的消费者的回收塑料支付溢价。“这是另一种产品，需求量很大。”
尽管贝克汉姆对酶很兴奋，但他说他不知道酶是否会胜过其他新的回收方法。他负责的能源部项目也在研究使用热、光和电来分解塑料。不管用什么方法，他只要看到进入他的回收箱并真正被回收的塑料比例有所增加。“我的希望是，”贝克汉姆说，“我们的回收站会变得更大、更大。”
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