細(xì)菌酶可以消化一些塑料垃圾，科學(xué)家們希望利用它們進(jìn)行回收利用。Muhammad Reza Cordova正在印度尼西亞加達(dá)周圍的海灘、珊瑚礁和紅樹林中尋找水瓶和塑料袋和塑料泡沫杯中的寶藏。在一些垃圾覆蓋的富含微生物的黏液中，他希望找到生物體來幫助解決如何處理地球上泛濫的塑料這一棘手問題。

Cordova是一名海洋生物學(xué)家，他收集黏液樣本并將它們帶回他在印度尼西亞海洋學(xué)研究中心的實驗室，在那里他計劃培養(yǎng)微生物并只給它們喂塑料，看看什么能否茁壯成長?！拔覀兿Ｍ苷业阶钣行У奈⑸飦硗淌苫蛘呓到馑芰?，”他說。

世界各地的研究?員都在進(jìn)?著同樣的探索。他們正在??國家公園的灼熱溫泉、太平洋的偏遠(yuǎn)島嶼海灘以及?本的塑料回收??等地尋找咀嚼塑料的微?物。?些科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了能夠利?酶分解?于制造?瓶和?服的普通塑料的細(xì)菌。

科學(xué)家們認(rèn)為微?物的酶——加速化學(xué)反應(yīng)的蛋?質(zhì)——可能有助于回收某些種類的塑料，這些塑料?部分被掩埋在垃圾填埋場、燃燒或沖?河流和海洋。雖然?業(yè)化學(xué)品可以分解塑料，但使用酶可能是?種更環(huán)保的?法，需要更少的能量，也可以針對與垃圾混合的特定塑料。英國樸茨茅斯?學(xué)的結(jié)構(gòu)?物學(xué)家約翰?吉漢說：“??然是最神奇的回收者，因為它不浪費任何東西?！彼I(lǐng)導(dǎo)了科爾多瓦參與的尋找酶的項目。

法國的?家公司已經(jīng)在建造?個示范?廠，該?廠將使用酶將塑料垃圾轉(zhuǎn)化為新瓶?的原材料。然?，進(jìn)?步擴(kuò)?規(guī)模意味著需要克服許多挑戰(zhàn)。尋找酶只是第?步。從實驗室轉(zhuǎn)移到回收??需要克服技術(shù)和經(jīng)濟(jì)障礙，在這個利潤微薄的?業(yè)中，新塑料?回收更便宜。最重要的是，微?物在很?程度上無法侵蝕?些最普遍的塑料。

加州?學(xué)化學(xué)?程師蘇珊娜斯科特說：“想想我們?產(chǎn)塑料的龐?規(guī)模和這些塑料的低價值?！?/span>SantaBarbara 正在實驗室開發(fā)合成新型?屬催化劑，用以回收塑料?！耙笊飳W(xué)做到這一點是一項艱巨的任務(wù)?！?/span>

塑料在很多??都是回收商的噩夢。塑料經(jīng)久耐?，包含幾十種不同的分?，由?鏈碳原?組成。這些分?都抵抗分裂，每個分?都有不同的化學(xué)性質(zhì)，必須以不同的?式處理。通常，單個物品—例如薯?袋—是令?抓狂的多種塑料融合體，混淆了輕松提取純物質(zhì)以開發(fā)新產(chǎn)品的?標(biāo)。

用一種酶來分解塑料聚對苯二甲酸乙二醇酯，48小時后，它失去了近98%的質(zhì)量（右）

?前有??部分塑料被回收利?，主要是通過挑選出可?的塑料類型，將它們?nèi)刍?，然后將它們再次固化成顆粒，然后再轉(zhuǎn)化為較低等級的塑料，例如袋?和?造?材。根據(jù)《Science Advances》2017年的?項研究，2014年只有19%的塑料被回收利?。與此同時，預(yù)計到 2050年塑料產(chǎn)量將增?70%，達(dá)到每年近6億噸。

確實進(jìn)?回收箱的塑料會遇到各種不同的命運。雖然有些被重復(fù)使?，但?部分被焚燒、掩埋在垃圾填埋場或傾倒在環(huán)境中。直到最近，在美國收集的塑料中有?半以上被運往海外；根據(jù) 2020年ScienceAdvances 研究的估計，在運輸?shù)牟牧现校噙_(dá)四分之?被污染嚴(yán)重??法回收。2018年，中國停?接收?部分進(jìn)?塑料垃圾，美國回收商報告稱將不需要的塑料包送到垃圾填埋場。“我們不能繼續(xù)購買越來越多的塑料，把它放進(jìn)藍(lán)?垃圾箱，然后感覺這樣就好了，”?薩諸塞州伍茲霍爾海洋教育協(xié)會的海洋學(xué)家 KaraLavender Law說，他?直致?于測量全球塑料污染。酶是?種有吸引?的解決?案，與許多工業(yè)化學(xué)物質(zhì)不同，酶在相對較低的溫度下工作，并且它們與哪個分子相互作用有選擇性—使酶能夠在聚合物的混合物中針對單個塑料進(jìn)行作用。2016年，?本研究?員在分析塑料回收??附近的泥漿后發(fā)現(xiàn)了?種對塑料有異常胃?的細(xì)菌后，科學(xué)家們開始認(rèn)真尋找此類酶。這種生物產(chǎn)生了兩種酶，通過將聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)分解成其組成部分，使其能夠以聚對苯二甲酸和乙二醇為食。PET 存在于一次性飲料瓶和聚酯服裝的纖維中，約占全球塑料產(chǎn)量的五分之?。如今，織物很難回收利?，因為它經(jīng)常與其他材料混合。盡管PET瓶更簡單， 但 2018 年美國只有29%的PET瓶被回收。

在看到這?發(fā)現(xiàn)之前，McGeehan?直在研究?物體如何利?酶來分解堅韌的植物纖維?，F(xiàn)在，他將目光轉(zhuǎn)向塑料，開始尋找其他能針對聚合物的酶。他繼續(xù)在世界上?些塑料污染熱點地區(qū)招募酶科學(xué)家，認(rèn)為所有的塑料垃圾都可能導(dǎo)致攻擊塑料垃圾的微?物進(jìn)化。印尼是他關(guān)注的一個地方，在一項關(guān)于海洋污染塑料來源的研究中，印尼排名第二，僅次于中國。

在印度尼?亞，除了從塑料垃圾中收集細(xì)菌外，科爾多瓦還計劃深?研究紅樹林根部的淤泥。最初以堅韌的紅樹林葉?為?的微?物需要??年的時間才能進(jìn)化出分解附著在根部的塑料袋的能?。他還將在雅加達(dá)灣懸掛各種塑料的?標(biāo)簽，看看是否有任何微?物開始以它們?yōu)?/span>?。

科爾多瓦發(fā)現(xiàn)的任何有希望的微生物候選者都將被運往McGeehan的實驗室。他的團(tuán)隊將有希望的酶結(jié)晶，然后使用x射線晶體學(xué)來觀察它們的結(jié)構(gòu)，破譯它們?nèi)绾闻c聚合物結(jié)合，并幫助打破它們的化學(xué)連接。這項工作已經(jīng)對哪種酶的形狀最有希望產(chǎn)生了深刻的見解。例如，破壞PET的酶在其表?有?個?，塑料分?嵌?其中。在那?，三個獨特的氨基酸攻擊連接聚合物單元的分子鍵。

利用這些信息，McGeehan和其他人正在搜索細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)庫，尋找編碼類似分子的DNA序列，這是潛在的塑料裂解酶的信號。然后，他實驗室的研究?員使?計算機(jī)來模擬如何?為改進(jìn)蛋?質(zhì)。?標(biāo)是修改編碼天然酶的基因，使它們成為強(qiáng)?的塑料破壞?具。該團(tuán)隊已經(jīng)改變了?本研究?員發(fā)現(xiàn)的酶，使其更有效?！拔覀儾⒉皇窃趶淖匀唤缰袑ふ页?。這幾乎不太可能發(fā)生了?！?/span>我們只是在尋找能讓塑料發(fā)癢的酶。

科學(xué)家們正在用工程酶來回收塑料。這些改良版的天然蛋白質(zhì)在相對低的溫度下工作，針對混合物中的特定塑料，并產(chǎn)生純單體，然后形成新的塑料。

他的團(tuán)隊并不是唯一一個尋找酶的。一個由歐洲和中國實驗室組成的聯(lián)盟也在努力尋找和培養(yǎng)一種細(xì)菌，這種細(xì)菌的酶可以分解塑料，以及其他可以將分解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為有價值的化學(xué)物質(zhì)的酶。一群來自德國、法國和愛爾蘭的研究人員，包括該聯(lián)盟的成員，使用在堆肥堆中發(fā)現(xiàn)的改良酶回收了PET，這種酶分解了樹葉上的蠟質(zhì)層。隨后，一個實驗室進(jìn)化出的細(xì)菌用這些原材料制造出兩種新型塑料

美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）的化學(xué)工程師格雷格·貝克漢姆說，如果這些任務(wù)成功了，一些塑料可能會通過用酶清洗來回收利用，就像基于酶的洗滌劑分解臟衣服上的食物污漬一樣。Beckham領(lǐng)導(dǎo)了$3200萬能源部的倡議，開發(fā)新的塑料再循環(huán)方法，并與麥吉漢合作尋找酶。5月底，NREL的科學(xué)家們聚集在一起測試一種方案，在該方案中，酶將幫助士兵把塑料垃圾變成戰(zhàn)場必需品的建筑材料。

他們的設(shè)想是“一個盒子……在那里他們可以放入塑料和其他類型的廢物，比如紙?！盉eckham在談到這個由國防高級研究計劃局（DARPA）贊助的項目時說。與DARPA的許多項目一樣，這項研究距離實際部署還有很長的路要走?？屏_拉多州戈爾登市NREL實驗室的科學(xué)家們將 PET 塑料?切成??塊。這些方塊被浸泡在溫水、鹽和堆肥中發(fā)現(xiàn)的一種葉子消化酶中，法國研究人員對這種酶進(jìn)行了改造，使其與塑料結(jié)合更緊密，并能承受更高的溫度。

當(dāng)科羅拉多州的研究?員在 24 ?時后返回時，84% 的塑料已經(jīng)溶解——這表明酶已經(jīng)將塑料分解成更?的分?。Beckham的?標(biāo)是在1個?內(nèi)分解5公?塑料中的95%。

 開發(fā)這種酶的法國公司Carbios計劃建造世界上第?家以酶為燃料的塑料回收??。這項?作將從克萊蒙費朗市的?個?型示范??開始，以測試這種酶將塑料垃圾轉(zhuǎn)化為新型PET塑料原料的能?。該公司將在2024年開設(shè)?家全規(guī)模的??，?標(biāo)是每年?產(chǎn)4萬噸再?塑料的原料。

此類酶可能不會打破回收僵局。它們在由碳原?和氧原?連接?成的塑料上效果最佳。這種被稱為聚酯的聚合物也存在于植物纖維中，細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)百萬年。

相比之下，直接連接碳原子的塑料更堅硬。它們占塑料制品的一半以上，包括無處不在的購物袋中的聚乙烯，以及構(gòu)成令人眼花繚亂的一系列產(chǎn)品的聚丙烯，從糖漿瓶到汽車儀表盤，應(yīng)有盡有。

PET由C-O鍵結(jié)合在一起，與C-C鍵相比，在化學(xué)反應(yīng)中斷鍵所需的能量更少。C-C鍵存在于聚乙烯和聚丙烯中，更難斷裂。

近年來，科學(xué)家們報道了可以以此類塑料為?的?物，包括蠟蛾的幼?。但Beckham和其他?懷疑這些?物的化學(xué)天賦能否轉(zhuǎn)化為聚?烯或聚丙烯的實際回收利?。

酶是很挑剔的，在高溫下無法在許多塑料中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。斯科特說，酶的作?也往往??業(yè)化學(xué)品慢，因此效率低下。威斯康星?學(xué) (UW) ?迪遜分校的化學(xué)?程師GeorgeHuber說：“你總是會回到技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析中，”他領(lǐng)導(dǎo)了?個由美國能源部資助的關(guān)于將塑料回收成?價值產(chǎn)品的研究項??！敖?jīng)濟(jì)主宰?切。”所有酶促回收?法都是如此。?多數(shù)塑料的原材料——天然?和?油——相對便宜。直到 2014 年擔(dān)任?席技術(shù)官的化學(xué)?程師威廉班霍爾澤說，即使回收材料便宜到?以與新材料競爭，它也必須整合到龐?的制造基礎(chǔ)設(shè)施中，并滿?購買塑料的公司的嚴(yán)格要求。陶?是世界上最?的塑料制造商之??，F(xiàn)在在UW的班霍爾澤說：“事實是，回收仍然太昂貴，?且產(chǎn)品更糟糕”。

在公眾對塑料污染的強(qiáng)烈抗議之際，主要的化工公司正在投資于塑料回收的新形式。但這些?法在很?程度上依賴于?業(yè)化學(xué)品。今年1月，兩家大型石化公司——伊士曼化學(xué)公司(EastmanChemical Company)和沙特阿拉伯基礎(chǔ)工業(yè)公司(SABIC)——都宣布了建造工廠的計劃，利用化學(xué)處理將塑料垃圾轉(zhuǎn)化為材料，幫助制造新塑料。沙特阿拉伯基礎(chǔ)工業(yè)公司是石油和天然氣巨頭沙特阿美(Saudi Aramco)的子公司。

SABIC的?席技術(shù)和可持續(xù)發(fā)展官Bob Maughon表示，酶促反應(yīng)對于塑料回收來說速度太慢。?前，他說：“我認(rèn)為酶促是不現(xiàn)實的?！钡?Carbios 的?物學(xué)家兼?席技術(shù)官 Alain Marty 表示，他相信他的公司基于酶的?法可以?夠快地消化 PET， 從?在市場上找到?席之地。他說，雖然第一家工廠可能無法在價格上與不可回收的原材料競爭，但企業(yè)將為可出售給有環(huán)保意識的消費者的可回收塑料支付溢價。這是另?種產(chǎn)品，需求量很?。”

盡管Beckham對酶的興奮，但他說他不知道酶是否會勝過其他的回收方法。他負(fù)責(zé)的能源部項?也在研究使?熱、光和電來分解塑料。?論采?何種?法，他只是想看到更多的塑料進(jìn)入他的回收箱，并真正被回收?！柏惪藵h姆說,“就是我們的回收箱變多了，變大了。”

每年生產(chǎn)的數(shù)以百萬計的塑料包括一系列為不同功能而調(diào)整的材料?；厥者^程因塑料的特性而異，所以混合的塑料通常不能一起回收。但是酶可能能夠選擇性地分解混合在一起的單一塑料

原文來源：Cornwall, Warren. "The plastic eaters." 2021:36-39.