近日，德克萨斯农工大学和俄克拉何马大学的研究小组称，将建立一个高效的塑料废物生物降解战略，并获得美国国家科学基金会的研究和创新新兴前沿项目提供的 200 万美元拨款。

塑料污染已成为一个全球性的威胁，影响到所有生态系统，从寒冷的两极地区，到无人居住的环礁甚至深海盆地。

PlasticsEurope 网站 2020 年发布的数据显示，全球塑料生产规模在过去六年中增长了 21%，2019 年达到 3.68 亿吨 [5]。

当前对塑料废弃物的处理方式主要有 3 种：填埋、焚烧或回收处理。以我国 2019 年中国废塑料处理情况为例，填埋、焚烧、回收的垃圾各占约 30%，还有 7% 的垃圾被遗弃 [2]。

图丨 2019 年中国废塑料处理情况（来源：中国再生塑料行业发展报告 2019—2020）

填埋的垃圾需要很长的时间才能降解，甚至无法降解，形成的微塑料颗粒会进入陆地和海洋，并随着食物链的富集，最终进入人体，对人的健康造成影响。焚烧塑料会产生各类有害气体，更加危害人体健康。

回收的方式目前还存在着对原料要求高、工艺复杂、耗能高、利用率低、经济性差以及严重的二次污染等问题。

好消息是自然界中存在天然的微生物，能够降解塑料，其过程对环境友好，但是十分缓慢。基因编辑技术和合成生物学技术的出现，加速了通过微生物或生物酶降解塑料的研究，而利用工程微生物生产可降解塑料也是一大流行趋势。

微生物降解塑料

在塑料出现之前，自然界可能并不存在能够降解塑料的微生物，而得益于自然演化，一些微生物进化出了降解塑料的酶，这些微生物或者酶被科学家发现，成为了生物法降解塑料的关键。

生物降解指通过微生物作用将底物分解转化，由需氧微生物完全转化为二氧化碳、水、矿物质和生物质，或者在厌氧性生物作用下转化为二氧化碳、甲烷和腐殖质，不会留下任何潜在有害物质 [3]。

具体来说，当微生物附着在塑料表面后，会分泌生物酶等物质分解塑料，高分子聚合物转变为低聚物、二聚体或者单体，这些分子进入到微生物细胞内，在细胞代谢作用下分解为为二氧化碳、氮气、甲烷和水等小分子化合物。

图丨典型塑料的生物降解及其降解机理（研究论文：典型塑料的生物降解及其降解机理）

目前针对市场上的大量常用的塑料种类，聚对苯二甲酸乙二醇酯 (Polyethylene glycol terephthalate，PET)、 聚乙烯 (Polyethylene，PE)、聚氯乙烯 (Polyvinyl chloride， PVC)、聚丙烯 (Polypropylene，PP)、 聚 苯 乙 烯 (Polystyrene ，PS) 和 聚 氨 酯 (Polyurethane， PUR) 等 6 种 ，科学家都找出了可将其一一降解的微生物 [4]。

图丨降解塑料的细菌（来源：微生物降解塑料的研究进展）

也有学者提出，单一的降解微生物 / 酶往往难以实现有效降解，为减轻单一微生物的代谢压力，可以将降解过程分成多个不同的过程来完成，即混合塑料解聚多酶 / 混菌体系，可用于结构复杂的塑料（例如 PU）或者混合塑料的降解 [1]。

而德克萨斯农工大学和俄克拉荷马大学的研究人员计划使用微生物、真菌和细菌作为一个 “联合体” 来降解塑料，模仿微生物如何共同分解自然界中的复杂材料，处理混合塑料垃圾。

后续他们还计划利用合成生物学技术来设计微生物，以微生物降解产物作为原料生产高价值的产品。

塑料的再利用

利用微生物回收利用塑料也是合成生物学的一个重点研究领域，即利用微生物 / 酶将塑料降解的寡聚体或单体重新转化为塑料或其他高值产品，具有反应条件温和、不产生二次污染等优点，是一种废塑料污染治理与资源化的新途径 [1]。

例如法国酶工程公司 Carbios，10 年来一直专注于对塑料的回收、解聚、纯化、再聚合，力图实现塑料的循环利用。

其科学团队从 10 万种微生物中筛选出了一种微生物，利用合成生物学技术改造后，获得了一种高效的 PET 水解酶。该酶可在 16 小时内分解 97% 的任何种类的 PET 塑料，比迄今为止任何生物塑料回收试验的效率都高出 1 万倍。

这种酶还可以处理有色 PET 塑料，对于传统机械回收的方法来说，要想制造透明瓶子就需要以废旧的透明瓶子为原料，而 Carbios 的酶可以以任何颜色和种类的 PET 为原料，制造透明的 PET 产品。

2020 年，Carbios 公司宣布将在法国化学谷建设 PET 塑料酶法回收的工业示范工程，建立从 PET 废弃物降解到单体利用的完整工业链，预计年利用能力在 5 万吨到 10 万吨之间 [1]。

而以塑料为原料不仅仅只能产生塑料，美国伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校生物工程教授 Ting Lu，和美国密西根理工大学生命科学教授 Stephen Techtmann ，利用微生物和化学物质分解塑料废物，从得到的降解产品中提取蛋白质，再将其转化成食物。

Ting Lu 在此前接收生辉采访时表示，塑料和食品在外观上是两种截然不同的材料，但从化学角度来看，两者都是由碳、氧、氢等不同化学元素的混合物，例如 PET 化学式为（C10H8O4）n，淀粉化学式为（C6H10O5）n。

两人也因这项研究共同获得了 2021 年 “未来洞察奖”。

而科学家的下一个目标是将混合塑料废物作为工业生物技术的标准第二代原料，由中欧科学家团队联合参与的欧盟 “地平线 2020” 项目 “MIX-UP” ，旨在利用混菌或多酶体系，将未分类的混合塑料废物转化为具有附加值的可持续生物材料，展示塑料生命周期循环的新方法。

图丨逐渐采用可降解塑料（来源：Environmental Sciences Europe ）

如果这一项目能够成功，有助于解决现代工业生物技术中普遍存在的食品与燃料的冲突问题。

通过将混合培养物的代谢工程、强化蛋白质工程和生物工艺优化相结合，MIX-UP 将在材料、化学品和环境技术等可持续型生物经济框架内形成新的价值链，这最终将有利于经济、环境和整个社会 [5]。

我国 “十三五” 科技计划也高度重视塑料生物降解与转化利用研究，上述 MIX-UP 项目也得到了我国国家自然科学基金的资助。

我国科技部发布的国家重点研发计划 “绿色生物制造” 重点专项 2021 年度项目申报指南（征求意见稿）示范 6 个任务中，第五个任务即“未来生物制造技术路线及创新产品研发” ，对塑料生物解聚关键技术也进行了布局，旨在开发相关生物解聚整套工艺技术，推进工业应用示范。

自 1907 年诞生以来，塑料给人们的生活带来了极大便利，但也产生了种种危害，从人工合成的高分子聚合物，到 “白色垃圾”，塑料依旧是塑料。而技术本无对错，期待更新的技术将塑料 “变废为宝”、“解塑再用”，重新创造更高的经济价值。

参考资料：

1、钱秀娟，刘嘉唯，薛瑞，刘豪杰，闻小红，杨璐，徐安明，许斌，信丰学，周杰，董维亮，姜岷。合成生物学助力废弃塑料资源生物解聚与升级再造［J］. 合成生物学，2021，2（2）：161-180

2、中国物资再生协会再生塑料分会。中国再生塑料行业发展报告 2019—2020 [R]

3、李昕玥，刘卓苗，薛润泽，等。典型塑料的生物降解及其降解机理。科学通报，2021, 66: 2573–2589

4、刘彤瑶，辛艺，刘杏忠，等。微生物降解塑料的研究进展。生物工程学报，2021, 37 (8): 2688-2702

5、https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8380104/

6、https://today.tamu.edu/2021/09/24/2-million-nsf-grant-to-fund-research-on-plastic-waste/

来源：生辉SynBio