据报道，胎盘、母乳和人类血液中都有塑料痕迹。塑料的使用及处理与诸多健康和环境问题有关。为解决塑料问题，联合国将于2024年制定世界上第一个全球塑料污染条约。与此同时，科学家们开始在全球各处寻找能够分解及回收塑料的生物及酶，从回收站到垃圾场，从海洋到土壤，从甲虫到蠕虫的肚子。

今天，我们共同关注微生物及塑料。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

2012年春天，一个阴雨绵绵的清晨，西班牙北部海岸的桑坦德风景如画。 科学家Federica Bertocchini居住在这里，作为一名业余养蜂人，她像往常一样照料着她的蜜蜂。她发现其中一个蜂巢被蠕虫入侵了。这里的蠕虫指的是一种令人讨厌的蜡蛾幼虫，它们有着贪婪的食欲，且具有一定的破坏性。

Bertocchini把蠕虫挑出来，扔到了一个塑料袋里，然后继续照料蜜蜂。几个小时后，当她拿起塑料袋时，注意到上面满是小孔。

这一现象引起了Bertocchini的兴趣，她不禁思考道：这些贪婪的蠕虫只是简单地啃食了塑料，还是在啃食的同时改变了塑料的化学成分？她立即在实验室展开了测试，结果惊讶地印证了第二个猜想——蠕虫唾液中的某种物质降解了塑料。“从那时起，研究就开始了。”Bertocchini说，她以前是西班牙国家研究委员会的发育生物学家。

如今，Bertocchini是 Plasticentropy公司的联合创始人。该公司主要利用生物来回收塑料。近年来涌现出了众多类似的初创公司和研究小组，他们从生物学角度探索塑料回收方法。生物回收能够以更有效、更环保的方式取代一些传统的塑料回收方法。

科学家们前往垃圾填埋场、汽车修理厂等满是塑料污染的区域采集样本，寻找能够分解塑料的生物。随后，在实验室中分离并改造微生物，增强它们分解塑料聚合物的能力。他们希望用这样的方式找到一种有效的方法来回收塑料分子，然后使用这些分子制造新材料，从而创造一个“无限循环”。

寻找适合的塑料回收酶是迈向成功的第一步。虽然研究尚处于早期阶段，但对于日益严重的塑料排放问题，生物回收可能是一个潜在的、有价值的解决方案。

结构生物学家John McGeehan是一名塑料解构顾问，专门从事塑料回收酶的挖掘及改造，他说：“来自世界各地的数百个小组、数千名科学家都在研究这个问题，可谓声势浩大。”

图. 经济合作与发展组织（经合组织）2019年的数据显示，尽管塑料产品上都印有三个箭头的循环图标，但大多数塑料都不会被回收，即使是那些可回收塑料也没能被回收。截至此次调查，全球只有9%的塑料垃圾被回收利用，美国的塑料回收率最低，仅为4%。

人们对塑料回收的关注仍然不够及时。自从20世纪50年代塑料制造业正式开始以来，产量就直线上升。据估计，人们每年制造的塑料多达4.6亿吨，大约相当于230万头蓝鲸的重量。

遗憾的是，大多数塑料最终会被焚烧、埋在垃圾填埋场或倾倒在环境中。塑料已经渗透到深海和南北极，遍布地球的各个角落，甚至会随雨而降。我们的身体中也有塑料，据报道，胎盘、母乳和人类血液中都有塑料痕迹。塑料的使用及处理与诸多健康和环境问题有关。

尽管存在诸多问题，但人们对塑料的需求只增不减，预计到2050年，塑料产量将超过10亿吨。主要原因在于，塑料重量轻、可塑性高、易成型，是制造商的心头好，难以被其他材料替代。

取代全部塑料的想法显然是不现实的，退而求其次，人们应尽量减少利用化石燃料制造原生塑料，转而回收已经存在的塑料。也就是说，人们应该想办法提高目前大约仅为9%的全球塑料回收率。

塑料回收率如此之低，背后的原因有很多，例如，塑料很难降解；在回收过程中会吸收有害的化学物质；塑料的种类五花八门，每种都有特定的成分、化学添加剂和着色剂，许多类型的塑料不能同时被回收。

Johan Kers是一名合成生物学家，同时也是美国俄勒冈州酶回收公司Birch Biosciences的联合创始人。他说：“我们面临着严峻的塑料回收问题。我们可以做到回收铝和纸张，但却没还没有做好塑料的回收工作，而这项工作关乎人类未来的命运。”

图. 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一种通常用于喷雾瓶和饮料容器的聚合物。在一次小型演示中，研究人员切下了一块PET，然后使用在堆肥中发现的一种工程酶将PET分解成了单体亚基（图下方）。他们将这些亚基喂给了一种微生物，这种微生物可以将亚基转化为生物聚合物PHA（三角）或中间体（紫色）。通过一些化学反应，中间体可以用来制造另一种生物聚合物bioPU（图上方）。虽然这一过程还没有完全脱离源自化石燃料的化学品，但已经朝着塑料废物再利用的目标迈出了坚实的一步。

生物回收可以缓解塑料排放问题。众所周知，酶是生物化学反应的加速器。生物回收旨在利用酶将塑料聚合物分解成单体亚基，这些单体可以用来制造新的塑料。

McGeehan说：“酶回收的魅力在于，我们可以利用酶重新获得构建塑料的模块，塑造一个潜在的无限循环过程。”

加州大学伯克利分校的聚合物科学家Ting Xu说，这种方法可以将废旧塑料变成一种有价值的资源，而非废物。2013年，Xu在Annual Review of Physical Chemistry上与人合著了一篇关于生物合成混合材料的综述。

对食用塑料酶的研究至少可以追溯到20世纪70年代，但2016年，这一领域重新焕发了活力。当时，京都工业大学微生物学家Kohei Oda领导的研究小组在Science上发表了一篇具有里程碑意义的论文，描述了一种能够消耗塑料的细菌菌株，名为大阪堺菌（Ideonella sakaiensis 201-F6）。这一菌株以PET塑料为主要能量和食物来源，PET是一种广泛用于合成饮料瓶和纺织品的聚酯。

研究人员从大阪郊外的一家塑料瓶回收厂收集了250个环境样本，最终在一些沉积物中发现了这种微生物。进一步的测试表明，大阪堺菌几乎可以在六周内完全分解PET。

从那以后，科学家们在世界各地挖掘能够分解塑料的微生物，包括位于德国莱比锡某墓地的一处堆肥；巴基斯坦首都伊斯兰堡的一个垃圾处理场；以及被冲刷到希腊哈尼亚海滩上，已经风化的塑料碎片。2021年，一项研究从海洋、北极苔原表层土壤、稀树草原和各种森林等环境中浮游的DNA序列中鉴定到了2亿多个基因。通过大规模分析，发现了3万种具有塑料降解潜力的酶。

然而，对塑料回收酶的挖掘仅仅是计划的第一步。虽然目前正在研究的许多酶都能在温和的条件下发挥作用，但必须经过科学家们的改造才能有更好的表现。例如，McGeehan与美国科罗拉多州国家可再生能源实验室及其他机构的同事一起，改良了大阪堺菌中具有塑料降解能力的两种酶。调整性能后，将它们串联起来，创造出了一种酶鸡尾酒，将分解PET的速度提高了六倍。

科学家们还在利用人工智能来提高酶的特性，使这些酶可以更快地解聚塑料，对目标底物不那么挑剔，并且可以接受更大的温度范围。

早期的数据表明，生物回收的碳排放可能比从头制造塑料要少。根据2021年的一项估计，与从头开始生产对苯二甲酸（TPA）相比，用酶分解PET的方式获取对苯二甲酸单体可减少43%的温室气体排放。

图. 科学家从甲虫Plesiophthalmus davidis的肠道中分离出了一种沙雷氏菌属（Serratia）细菌。该细菌可以分解聚苯乙烯，可作为处理聚苯乙烯废物的候选者。这种甲虫通常以腐烂的木头为食。

PET只是众多塑料中的一种。根据化学结构等性质，塑料通常被分为七个或更多类别。其中一些是带有混合碳骨架的塑料，其聚合物的中心骨架由碳原子与其他原子（如氧和氮）交织构成。目前，这类塑料最适用于生物回收，主要是因为可以利用酶分解混合主链中的化学键。英国朴茨茅斯大学的分子生物物理学家Andy Pickford说，这是这种塑料的“致命弱点”。

PET的主链正是碳和氧交错组成的。PET通常用于制造纺织品和饮料瓶，大约占塑料年产量的五分之一，是生物回收的首要目标，也是最接近商业规模的塑料回收对象。法国Carbios公司计划于2025年在法国北部开设一家生物回收厂，目标是每年回收5万吨PET废物。

该公司使用的是一种专利酶，这种酶起初是在堆肥中发现的。研究人员对其进行了改造，以增强其破坏PET骨架的能力，并能容忍更高的温度，高温可使塑料熔化。2020年，Carbios公司和图卢兹生物技术研究所（Toulouse Biotechnology Institute）的科学家在的Nature杂志上报告，这种酶可以在10小时内解聚90%的PET。

此外，澳大利亚还有一家名为Samsara Eco的初创公司计划于2024年在墨尔本建立一个类似工厂。该工厂也将专注于PET的回收，年回收量预计2万吨。

聚酰胺（PA）和聚氨酯（PU）与PET化学成分相似，有望成为酶回收的目标，它们本质上容易被酶分解。Pickford在朴茨茅斯大学的团队主要研究这三种塑料。

除了PET, Samsara Eco公司目前还在研究尼龙，这是一种合成聚酰胺，常用于制造纺织品。今年5月，该公司宣布与流行运动品牌Lululemon合作，用废弃的衣服生产“世界上第一款可无限循环的”尼龙-聚酯服装。

研究人员也在研究聚氨酯，约占全球塑料总量的8%，即2500万吨，常见于家具坐垫、尿布、海绵和运动鞋等泡沫材料。有些微生物可以降解聚氨酯，Kers在Birch Biosciences公司的团队已经集中测试了大约50种聚氨酯降解酶。由于聚合物结构的多样化，他们可能需要制定不同的分解策略。

图. 塑料包括各种各样的聚合物，许多聚合物是难以被分解的。一部分原因在于，组成聚合物的原子之间的强作用键和稳固的晶体结构。一般来说，如果聚合物的主链由碳和其他原子（如氧或氮）组成，则更容易被分解成可重复利用的单体亚基。具有碳-碳骨架的聚合物是极为顽固的。

虽然酶回收有望应用于具有混合骨架的塑料，但针对纯碳骨架的塑料，应用前景并不乐观。纯碳骨架的塑料包括聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯醇（PVA）、聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE），用来制造随处可见的塑料袋。Pickford说：“这些塑料的生物回收更具挑战性。在某种程度上，它们对酶来说有点狡猾，能够抓住它们的酶很少。”

尽管如此，一些科学家仍然在研究这些顽固的塑料，其中包括西班牙的Bertocchini。她说：“机缘巧合下，我选择以塑料袋为研究目标，主要由聚乙烯基构成。”

聚乙烯常用于制造食品包装膜和外卖盒，是目前产量最大的一类塑料，占市场的25%以上。而那个清晨埋下的种子，十年后开了花。Bertocchini和她在Plasticentropy的团队发现了蜡虫唾液中的塑料降解酶，并将这些酶命名为Demetra和Ceres。它们可以将氧原子引入碳主链，在室温下几小时内就能降解聚乙烯。

从昆虫体内发现的这些酶可能是瓦解顽固塑料的关键。澳大利亚昆士兰大学的微生物学家Chris Rinke从事聚苯乙烯（PS）的研究，这种材料通常用于制造外卖盒和一次性餐具。Rinke也试图从昆虫幼虫寻找突破口。他说：“昆虫幼虫有坚硬的口器，它们非常擅长咀嚼东西，能够将塑料研磨成更小的颗粒，然后肠道中微生物会把这些颗粒消化掉。”

Rinke了解到了一种学名为Zophobas morio的甲虫幼虫，绰号为“超级蠕虫”，能够双重分解聚苯乙烯。它们能够机械地将塑料粉碎成更小的碎片，同时引入氧原子使其“老化”，然后使用一些尚未被鉴别的特殊肠道细菌酶解聚这些碎片。

一些专家并不看好生物回收的前景，认为这种方法难以分解一些顽固的塑料骨架。“还不能确定能否通过酶解法大规模回收像聚乙烯、聚丙烯和PVC这样的聚烯烃塑料，” Pickford说，“虽然有一些有趣的实验结果，但要将其转化为工业产品将是非常困难的。希望未来的发展能够让我改变这种看法。”

虽然对聚氯乙烯的生物回收有了一些进展，但目前这种易碎的塑料很大程度上仍然无法被酶分解，类似的还有聚乙烯醇和聚乳酸（PLA）。Pickford说：“在这种情况下，转而制造可回收的新型塑料似乎更可行。”

2020年，一个韩国团队报道了一种名为居泉沙雷氏菌（Serratia fonticola）的细菌，能够使一种名为Plesiophthalmus davidis的甲虫幼虫获得消化聚苯乙烯的能力。另一个研究团队报告了Lachnellula和Neodevriesia这两种耐寒的真菌菌株可以分解聚乳酸等可生物降解塑料。两种真菌分别从高山土壤和北极海岸中分离出来。

挖掘酶只是塑料回收计划的一环。目前还不清楚能否大规模推广这些酶，以及广泛应用这些酶之后，会产生怎样的化学效应。

Samsara Eco的蛋白质工程主管兼研究创始人Vanessa Vongsouthi说：“我认为，这些问题永远不会有答案。我们能做的就是开发先进的回收方案，除此之外，政策、产品设计、再利用甚至淘汰……都是整个大局的一部分。”

一些部门正在酝酿相关政策。联合国将于2024年制定世界上第一个全球塑料污染条约，旨在遏制塑料污染。预计将出台新的塑料产品生产和设计规则，使塑料回收变得更容易。有关部门还制定了一些法律，规定可回收塑料必须占塑料盒和饮料瓶总量的25%。在接下来的一年内，这些法律会陆续在华盛顿、加利福尼亚和欧盟生效。然而，如果没有进一步的整改和激励措施，这些工作终将是杯水车薪。只要原生塑料的生产成本保持低廉，生物酶回收可能就无法占据优势。

“主要问题是成本，” McGeehan说，“放眼全球市场，化石塑料真的很便宜，已经形成了一个非常成熟的大型商业模式。一些政府仍然鼓励这种塑料生产方式。我们需要彻底改革，鼓励生产PET或其他可生物降解塑料，石油和天然气行业也会受益其中。”

McGeehan乐观地认为，如果生物回收技术能够得到改善，变得足够经济高效，就可以与原生塑料产业竞争。在此之前，像Bertocchini这样的研究人员还需要继续努力。2019年搬到马德里时，她离开了心爱的蜂箱。如今，她从飞蛾和蝴蝶幼虫中挖掘酶，扩充了公司的酶产品。现阶段，酶并不能解决全部的塑料排放问题，但她说：“好戏还在后头。”