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塑料带来的难题,或许它们可以解决

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  出品:科普中国

  制作:科海拾贝

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  据统计,自1950年以来全球塑料产量超过80亿吨,平均下来,地球上每个人都能分到一卡车。

  其中只有9%的塑料废品被回收利用,12%的命运是付之一炬,其余的塑料垃圾就倾倒进了环境中。


  △图片来源:veer图库

  塑料的危害不止于此。

  丢弃在环境里的塑料在阳光暴晒和风力撕扯的作用下,逐渐由大变小,由小化微,直至变成毫米级的塑料微粒。

  微塑料已经扩散到地球的每一寸土地,从人迹罕至的南北极,到世界最高点珠穆朗玛峰都出现了微塑料的身影。

  鱼类和鸟类经常把微塑料物当作食物,一不小心就成了“塑”食主义者。在20多种常见经济鱼类中,有九成体内存在微塑料。

  就算在南极,80%鸟类的胃里都有微塑料。

  微塑料抓住食物链一路高歌猛进,几乎没有动物能够逃脱食“塑”的命运。

  据估计,全球人均每年摄入约107微塑料,相当于每周吞下一张信用卡的微塑料。

  重


  △在被污染牡蛎的胃和肠中观察到6 µm的聚苯乙烯微珠|图片来源:参考文献9

  如何降解掉塑料,成了摆在全世界科学家面前的一道大难题。

  科学家找到了多种或许能够拯救地球的微生物,这些微生物能够分解塑料,并以塑料为食。

  黄粉虫,又叫面包虫,由于蛋白质含量高达50%,被人工养殖作为一道美食。

  而黄粉虫眼里的美食却是果皮、酒糟、秸秆这样的废弃物。

  因为食性较广泛,科学家尝试给它们喂食聚苯乙烯塑料泡沫,没想到它们吃掉了泡沫。

  被啮食的塑料一部分成功为黄粉虫增了膘——同化为身体脂肪,剩余部分穿肠而过,变作类似兔粪便的生物降解颗粒,还可以作为有机肥料继续使用。


  △黄粉虫在吃塑料泡沫|图片来源:百度百科

  蜡螟,天生爱搞破坏,是蜜蜂的天敌,养蜂人的噩梦。

  蜡螟降解塑料的发现源于一次偶然事件:一个业余养蜂人从蜂巢中捉到几只蜡螟,并封在了塑料袋里。

  万万没想到几分钟后被囚禁的害虫竟然逃之夭夭,只留下了千疮百孔的塑料袋。


  △蜡螟的巢虫|图片来源:百度百科

  其实蜡螟能够降解塑料不足为奇,因为它们最爱的美食是蜂蜡。

  而蜂蜡中最常见的烃键化学结构与聚乙烯高度相似,人称“天然塑料”。

  被嚼碎的聚乙烯经过蜡螟的消化,转变为乙二醇小分子,几周内就可以在自然环境中降解。


  △一百只蜡螟12小时内对塑料袋的降解|图片来源:参考文献1

  此外,科学家发现印度谷螟、大麦虫等昆虫也具有降解塑料的能力。

  最终,研究者发现,秘密武器是它们的肠道里的微生物

  科学家把蜡螟和黄粉虫放在饲养盒里,先饿它们两天,然后用剪碎的聚乙烯地膜饲喂十天。

  之后将这些塑料驯化后的昆虫解剖、挑出肠子,磨碎后制成肠道菌群富集培养液,继续投喂聚乙烯地膜,分离出可以降解这种塑料的细菌。

  目前科学家已经从蜡螟、黄粉虫等昆虫的肠道中分离到多种高效降解塑料的微生物。

  除此之外,农田土壤、废弃地膜、垃圾填埋场、污泥和海洋等环境也是科学家寻找塑料降解微生物的首选之地。

  PET是一种广泛用于饮料瓶制造的塑料。

  日本科学家从垃圾回收点采集了250份含有PET纤维的土壤和污水样品,利用PET材料直接从中筛选到了可以降解并利用它生长的细菌。

  在电镜下观察到,这种细菌可以附着在PET的表面,形成一层生物膜,然后蚕食PET。


  △细菌附着在PET表面行使功能|图片来源:参考文献11

  继续深入挖掘,又发现了细菌降解PET的秘密武器——菌体内两种负责PET降解的关键酶,被分别命名为PETase和MHETase。

  于是科学家预测了细菌降解PET的过程:先由PETase将聚酯链切成较短的中间产物,然后再由MHETase继续降解为单体小分子。

  小分子被细菌同化利用,最终变成水和二氧化碳等物质。


  △细菌降解PET塑料示意图|图片来源:参考文献2

  能降解还不够,还要高效

  虽然已经证实多种塑料可以被微生物降解,但天然降解塑料的微生物效率都非常低,对环境适应性差,限制了其自身的实际应用。

  因此,科学家还要继续在实验室中对这些微生物进行驯化和改造。

  以PET这种塑料为例,在较高温度下,PET聚酯链的波动性会增加,酶对聚酯链的可及性上升,从而能提高PET的降解效率。

  这就要求,这种微生物既要耐得住高温,还要能降解塑料。

  热纤梭菌,是一种常年生长在五六十摄氏度高温中的厌氧细菌。

  由于体内的纤维小体是一种高效降解木质纤维素的超级分子机器,热纤梭菌已经被开发成高效降解农林废弃物的利器。


  △热纤梭菌和其表面的纤维小体|图片来源:参考文献5

  科学家将来自枝叶堆肥元基因组的嗜热角质酶LCC在热纤梭菌中进行异源表达,建立了具有PET降解功能的嗜热全菌催化剂

  这种全菌催化剂可以在60℃条件下,两周内降解掉60%的商业化PET塑料。

  除此之外,热纤梭菌可以天然高效降解木质纤维素,因此,基于热纤梭菌的全菌催化策略还有望在纤维素和聚酯纤维的纺织混合品废弃物的回收利用中发挥出巨大的应用潜力。

  相对于陆地,海洋环境更加复杂。

  海洋是全球塑料垃圾的最大聚集地,但许多已知的PET降解微生物并不能适应海洋环境。

  科学家在海洋中找到一种名为三角褐指藻的单细胞硅藻,它可以在盐水环境中利用二氧化碳快速生长。

  三角褐指藻常被作为一种优质的水产蛋白饵料,富含多不饱和脂肪酸,也是微藻生物柴油的重要来源。


  △三角褐指藻原子力显微镜图片|图片来源:参考文献6

  通过遗传改造,三角褐指藻被打造成高产PET降解酶PETase的细胞工厂。

  三角褐指藻通过异源表达PETase, 将PET降解为可溶性单体。

  可溶性单体回收后可以重新用来合成新的PET材料,形成一种闭环的塑料回收利用策略,在海水污染的治理中显示出巨大优势。

  当下针对各类塑料的降解研究如火如荼,越来越多的微生物和酶被选中并训练成出色的猎手,帮助我们“吃掉”塑料垃圾。

  自塑料诞生起,人类与塑料已经走过了爱恨交织的一个多世。

  而人类要想真正掌控住自己发明的技术,接下来的道路还很漫长。

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