牛宝体育塑料被誉为“20世纪人类最伟大的发明之一”。从我们平时用的饮料瓶、包装袋，到身上穿的聚酯纤维衣服、鞋子，塑料制品的身影在我们生活中随处可见。但是，塑料这种有机高分子材料的物理化学结构非常稳定，可以在自然环境中稳定存在数百年而不被分解。另一方面，塑料的价格低廉，在给我们带来便捷的同时，被大量遗弃到自然环境中，造成了严重的“白色污染”，不但威胁到生态安全及人类健康，也造成了全球有机碳资源的巨量浪费。这一迫在眉睫的难题已经成为整个国际社会共同面临的重要挑战。
01塑料是什么？塑料是一类人工合成的高分子聚合物，它们大部分是以不可再生的石油为原料，通过加聚或缩聚反应聚合而成，具有重量轻、生产成本低、坚固耐用等优点，被誉为“20世纪人类最伟大的发明之一”。虽然塑料的诞生历史只有一百多年，但作为材料届的后起之秀，已经被广泛应用于农业、工业、建筑业等多个行业，开创了高分子材料的新纪元。让人意想不到的是，塑料最早是由一位摄影师发明的。19世纪50年代，英国摄影师亚历山大·帕克斯（AlexanderParkes）将摄影时使用的“胶棉”与樟脑混合，发现这种材料具有很好的可塑性，在加热时可以变软，冷却后会变硬形成固定的形状，这便是最早发明的热塑性塑料。而真正将塑料推向大众的是比利时化学家列奥•亨德里克•贝克兰（Baekeland, Leo Hendrik），他发现苯酚和甲醛聚合产生的缩聚物具有耐热、耐腐蚀、绝缘性强等许多优点，大名鼎鼎的酚醛塑料诞生了。这是世界上第一种完全人工合成的塑料，从此拉开了塑料时代的大门。塑料制造业开始飞速发展，各种不同类型的塑料层出不穷，已经工业化的塑料多达300多种，遍及我们日常生活的方方面面。2019年，全球塑料年产量达到3.68亿吨，其中我国的塑料产量占比超过30%牛宝体育，是全球最大的塑料生产国。尤其是自新冠肺炎疫情发生以来，口罩、手套、防护服等一次性医疗用品需求激增，进一步拉动了塑料行业市场规模的持续增长。
图1 全球塑料生产量分布（图片来源：PlasticsEurope, 2020）02塑料垃圾的危害塑料虽然具有重量轻、成本低、性质稳定等优点，但环保组织与国际社会也逐渐意识到这类人工合成的高分子聚合物在自然环境中无法被快速降解，带来了严重的环境问题。1.塑料垃圾破坏生态环境我们身边随处可见被丢弃的塑料袋、塑料瓶、塑料杯等塑料垃圾，造成了“白色污染”，影响市容的同时，严重破坏了土壤生态系统。更糟糕的是，丢弃到海洋中的塑料垃圾更加难以被清理回收，还会通过洋流作用在海洋中不断聚集。实际上，在太平洋中已经出现了多个大型的垃圾聚集带。其中最为著名的是位于美国夏威夷和加利福尼亚州之间的巨型垃圾岛，这座垃圾岛由各种塑料垃圾组成，总重量超过400万吨，占地面积达140万平方公里，面积相当于85个上海市。而且这个面积还在不断扩大，被称为地球上的“第八大陆”。
图2 海洋中塑料堆积形成的垃圾岛（图片来源：parsons.edu）2.塑料垃圾威胁动物生存很多塑料垃圾颜色鲜艳，形状各异，容易被动物们当作食物误食，最终因消化道填满无法进食而死。即使少量误食，塑料表面还会吸附大量重金属和污染物，这些物质会沿着食物链向上传递，毒性也不断积累，威胁动物的生命。据“绿色和平”组织报告，目前发现至少267种海洋生物因误食海洋垃圾或者被海洋垃圾缠住而饱受折磨。
图3 被塑料垃圾套住而发育畸形的海龟（图片来源：LiteralMagazine）
图4 胃中充满各种塑料碎片的信天翁（图片来源：ChrisJordan，美国鱼类和野生动物管理局）3.塑料威胁人类健康不仅是各种动物，即使作为食物链顶端的人类，也无法逃脱塑料污染的毒害。据澳大利亚研究人员报道，环境中的塑料垃圾会逐渐破碎变成微塑料颗粒，这些微米级的塑料颗粒已经随着饮食进入到了人类体内。全球人均每周摄入约2000颗塑料微粒，重量约为5克。甚至已经在人体的血液中发现了微塑料颗粒，这些塑料颗粒携带的有毒物质会在人体中不断积累，对生命健康造成潜在危害。4.塑料垃圾造成严重的碳资源浪费据统计，全球每年有4%-8%的石油消费与塑料有关。到2050年，塑料将占全球石油消耗总量的20%。作为一种新兴的碳基材料，塑料每年增加近1亿吨，全球累计积累超过62亿吨，远超人类（0.6亿吨）和所有动物（20亿吨）的含碳量总和。这些大量存留在环境中的塑料碳资源已经开始影响地球系统中的碳循环牛宝体育。
图5 全球的塑料碳循环（图片来源：.abb0354）不仅如此，塑料的全生命周期还会排放出大量的CO2，2019年全球塑料释放的温室气体为8.6亿吨CO2当量。预计到2050年这一数字将增加到大约28亿吨，占全球碳预算总量的15%。因此，有必要从制造、回收、循环利用多个角度综合控制塑料使用造成的温室气体排放。
图6 塑料全生命周期排放大量CO2（图片来源：Plastic& Climate: The Hidden Costs of a Plastic Planet 2019）03微生物技术助力“解塑再用”虽然塑料难以被生物降解，但也并不是完全无坚不摧。2004年，北京航空航天大学杨军教授在厨房中偶然发现塑料米袋上有许多被虫子咬破的孔洞，这一幕给杨军教授带来启发，这些虫子是不是能消化塑料？
图7 吃塑料泡沫的超级蠕虫（图片来源：昆士兰大学）带着这一疑问，他在实验室进行了一系列的研究工作牛宝体育，结果发现米袋里面的蜡虫果然能降解塑料牛宝体育，并且证明蜡虫肠道中的微生物发挥了非常重要的作用。后来，越来越多的昆虫，如黄粉虫、超级蠕虫牛宝体育、大麦虫等，都陆续被发现对塑料具有一定的降解能力。更重要的是，有很多微生物从这些昆虫的肠道中分离出来，它们能附着在塑料膜表面缓慢生长并破坏塑料。
图8 电子显微镜下观察到微生物降解塑料薄膜（图片来源：本课题组）2016年，日本科学家在大阪的PET塑料回收点分离到了一株名叫Ideonellasakaiensis的细菌。这种细菌可以分泌一种将PET塑料水解成小分子的降解酶IsPETase，在常温环境下，约6周就能将0.2毫米厚的低结晶度PET薄膜完全降解，降解后的小分子MHET和TPA还可以被细菌吸收用于生长。
图9Ideonellasakaiensis可以“吃”PET塑料瓶（图片来源：）虽然开始发现的PET降解酶活性并不高，但这一研究激起了生物降解PET塑料的研究热潮，大量新的PET降解酶被陆续发现。同时，各种先进的蛋白质工程技术也被用于提升PET降解酶的催化效率。2020年，法国图卢兹大学的科学家设计出一种高效的PET降解酶突变体ICCG，可以在10小时内分解至少90%的PET塑料，使得PET的生物降解技术终于具备了一定的经济可行性。与此同时，他们与初创公司CARBIOS合作利用该技术正在进行工业化的探索，目前建成的示范反应堆一次可以容纳近2吨PET塑料，在10到16小时内将其彻底分解成单体，并重新用于制造PET产品。据估计，与利用石油基单体制造PET相比，通过酶促回收单体制造PET可以减少17%至43%的温室气体排放，显著降低塑料工业对于石化资源的依赖及环境的污染。
图10 CARBIOS公司酶法降解PET塑料示范工厂（图片来源：）不仅如此，在塑料降解方面，微生物技术能做的还有很多。例如通过代谢工程及合成生物学技术改造微生物，在降解PET塑料的同时，利用降解产生的小分子化合物生长并合成可降解塑料PHA、重要化学品粘康酸等高价值化合物。在解决塑料污染的同时，提高塑料废物的经济价值，将其变废为宝，彻底实现“解塑再用”的终极目标。
图11 微生物将PET转化成高附加值化合物（图片来源：本课题组）04结语经过研究人员的不懈努力，生物降解塑料废物已经展现出了巨大的应用潜力。未来可以期待，通过微生物技术赋能生态环境保护，将进一步推动塑料的绿色低碳循环，促使塑料废物变废为宝，提高碳资源利用效率，减少碳排放，真正实现“既要金山银山，也要绿水青山”的绿色可持续发展！