吃掉塑料的酶

研究人员找到了一种可以将塑料消解、回到构成它的基础化学物质的酶，这一发现或许能够解决令人头疼的塑料垃圾泛滥的问题。

南方周末特约撰稿 祝叶华

塑料无处不在，即使在那些你可能想不到的东西上也有塑料存在。每当这些物品被扔掉或被冲到水槽里时，污染物就有更多的机会进入环境并造成伤害。2017年有研究结果称，每年有八百多万吨塑料被倾倒入世界海洋，人们对这种石油衍生产品对人类健康和环境的有毒遗产的担忧日益加剧。

长期以来，塑料制品的生产都被认为是单向运行的。最近英国朴次斯大学和美国能源部国家可再生能源实验室的研究人员意外地找到了解决这个问题的方法，他们创造了一种让塑料生产过程可逆的酶，这种酶可以将塑料消解，回到构成它的基础化学物质，这一发现可以改善塑料垃圾的回收和利用问题。

意外发现的酶

在基础科学研究中，机缘巧合常常扮演着重要的角色。

2016年日本科学家发现Ideonella sakaiensis这种新的细菌可以显示出以纤维塑料为食物的能力，它们能够分解一种被称为PET降解酶（PETase酶）的蛋白质来降解PET（PET是聚对苯二甲酸乙二醇酯，这种塑料占世界上聚合物总产量的18%，是食品和饮料行业最流行的一种塑料形式，仅次于聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯）。自从塑料在20世纪60年代流行起来后，巨大的塑料垃圾就会被发现漂浮在海洋中，或者被冲到世界上曾经的原始海滩上。由于塑料在过去的80年里才存在，所以Ideonella sakaiensis被认为在最近几年进化出了消化塑料的能力。

英国朴次斯大学和美国能源部国家可再生能源实验室的科学家们将研究目标锁定在这种可以降解塑料的细菌上，使用一种名为X射线衍射的技术来捕捉PETase 3D结构的细节。他们的本意是通过计算细菌的结构来了解PETase酶的工作方式，但鬼使神差地向前多走了一步，最终意外地设计了一种功能更强大的酶（升级版的PETase酶），使它能够更好地分解PET塑料，研究结果发表于《美国科学院院报》（PNAS）上。

两国科学家得到了PETase酶的X射线晶体结构，揭示了角质酶（cutinase）和脂肪酶（lipases）共有的特征。角质酶是一种在真菌和细菌中发现的酶，可以降解特定的塑料。与角质酶不同的是，PETase不仅保留了“祖先”的α/β-水解酶的褶皱，同时也表现出比同源的角质酶更开放的活性位点。研究人员猜测活性位点的存在或许就是升级版PETase酶降解塑料能力大增的原因所在。为了验证这一想法，他们使PETase的活性位点发生突变，让它更像“角质酶”，结果证实，实验室制造的突变体具有超强的能力，可以分解PET，并将它转化为最初的化学物质。额外的蛋白质工程提高了PETase的性能，使得这种突变酶甚至比天然PETase酶的效果还要好。

在自然界中，酶通过分解现有的化学物质来改变它们。通常酶的存在会创造新的物质，不过它们有时也可以逆向还原成原先的化学成分。研究人员说，他们现在正致力于进一步改进这种酶，希望最终能将其扩大到工业用途，以分解塑料。尽管这种改进是适度的，但这个意外的发现表明，科学家还有进一步改进这些酶的空间。科学家们希望，这种吃塑料的工程酶可以引发一场循环革命。

食塑者的队伍

土葬、火葬、海葬是塑料垃圾的常见的处理方式，但都会给环境带来污染和负担。塑料制品和塑料废料是同一枚硬币的两面，在产品设计阶段就应该兼顾回收的问题。2012年，哈佛大学教授大卫·爱德华兹（David Edwards）利用藻类和钙的混合物，模拟食物的自然包装状态，给食物配备一个可以食用或者降解的外包装。2016年，印度的Narayana Peesapati利用大米粉、小麦粉和高粱粉制作了一种可食用的勺子，以期降低塑料餐勺的使用。

除了源头控制，对于已经生产出来的塑料进行生物降解，也是努力的方向之一。

早在2015年，北京航空航天大学杨军教授研究组、深圳华大基因公司赵姣博士等在《环境科学技术》（Environmental Science & Technology）上合作发表了两篇姊妹研究论文，称他们发现了黄粉虫（面包虫）的幼虫可以降解聚乙烯类塑料。数据结果显示，黄粉虫以聚苯乙烯泡沫塑料为唯一食物来源，塑料在黄粉虫肠道快速生物降解，可以存活1个月以上，并最终发育成成虫。2016年，日本科学家在《科学》（Science）发文解释，他们在分子层面上对塑料的分解进行研究后发现了食用塑料纤维的细菌Ideonella sakaiensis。这种细菌可以附着在PET塑料上“茁壮成长”，将PET作为其主要的碳源和能量来源。研究人员推测，只要将温度控制在30℃，这种细菌就能利用6周时间分解一片PET薄膜。

2017年法国科学家发现了一种爱吃塑料的毛毛虫——蜡虫（螟蛾的幼虫）。研究人员将几百只蜡虫放在一个超市塑料袋的上面，不到40分钟的时间，窟窿开始出现在塑料袋上，12小时之后，蜡虫吃掉了92毫克塑料，后续的测试证实，蜡虫可以完全消化“塑料餐”。而此次英国朴次斯大学和美国能源部国家可再生能源实验室的科学家们发现的可以降解塑料的酶，是在Ideonella sakaiensis食塑细菌上开发出的，他们升级了该细菌内部降解塑料的酶，壮大了食塑者的队伍。

塑料失踪之谜

2017年7月，一项发表在《科学进展》（Science Advances）的研究论文称，20世纪50年代初以来，人类已经生产了83亿吨塑料制品，其中约63亿吨已成为塑料垃圾。在这63亿吨塑料垃圾中，9%被回收利用，12%被焚烧，79%进入垃圾填埋场或者自然环境中。研究人员预测，如果按照目前的产量和废物管理模式发展下去，预计到2050年会产生120亿吨塑料垃圾。

通常情况下，就像一次性咖啡杯、饮料瓶、糖果包装纸和其他塑料包装一样，这都是在短暂的一次性“放纵”之后发生的。如果这些东西最终被扔到海里，它就会被冲到远处的海滩上，这或许会让一只海豹窒息。而暴露在盐水和紫外线下的塑料，又可以分解成微小的塑料小块，进入鱼类肚子，自此开始了一段短暂的餐盘之旅。2016年一篇发表在《科学》（Science）上的研究论文中提到，微塑料会影响鱼群的生态种群，同时也间接说明，受到微塑料污染的鱼类很有可能会被搬上人类餐桌。2017年5月，一篇发表在《科学报告》（Scientific Reports）上的研究论文称，海洋中的塑料污染不仅直接进入鱼类体内，同时也进入人类食用的海盐中。

2016年发布的一份报告显示，到2050年，除非世界采取激烈的行动来加强塑料的进一步循环利用，否则世界海洋中塑料垃圾的数量将超过鱼类。

但也有研究人员开始注意到，在一些研究中，“记录在册”的塑料本应随着时间的推移而增加，但测量结果和计算模拟得到的数据却显示事实并非如此，甚至有调查发现海洋中塑料的数量远远低于预期。例如，2017年5月，一篇发表在《生态和环境前沿》（Frontiers in Ecology and the Environment）上的文章就称，海洋中有部分塑料“失踪”了，在深入研究之后，研究人员发现，海洋中“消失”的塑料并非是任何认真回收工作的结果，微塑料碎片与海洋生物之间的相互作用可能在重新分配海洋中的塑料方面发挥重要作用。科学家给出了几种海洋丢失塑料可能的解释。其一，可能是海洋中的某些微生物进化出了降解塑料的能力。研究发现，依附在漂浮塑料上的微生物与周围水域的微生物略有不同，这或许表明一些微生物正在以污染物为食，塑料正在创造一个全新的生态系统，有科学家称之为“塑料生态圈”。

另外一种解释则是，殖民生物增加了塑料的重量，所以部分漂浮的塑料有可能只是沉入海底或者分解成更微小的碎片，以至于它不会被研究船的渔网捕获。它也可能被生物体吞噬，或者被洋流带到意想不到的地方。