塑料的生物降解，还有很长的路要走

塑料由于其独特的性能已经成为国民经济中的支柱，它在当今的生产生活中具有重要且不可替代的地位。上到复杂精密的航空航天，下到简单日常的吃饭逛街，几乎每个地方每个瞬间都能看到塑料的身影。预计在2040年，全球塑料的生产量将会达到每年8亿吨，其中的绝大部分在很短的生命周期之后，就会变成难以处理的塑料垃圾。由于人们需要保证塑料材料的硬度、强度、耐用性、稳定性，因此塑料几乎都难以自然降解。当前对于塑料垃圾的处理方式通常是填埋和焚烧，这些方式给环境保护带来了巨大的压力，而且这种“生产-废弃-处理”的单向过程也不符合循环经济的理念。因此，以物质回收为目标的塑料循环再生处理技术就变得非常有必要，一方面保护环境，降低碳排放，另一方面也是节约资源的重要手段。目前，已经存在一些工业化应用的塑料回收利用手段，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的溶剂分解和含聚烯烃混合塑料的热解。但总体而言，这些技术的回收效率、回收物价值、商业及环境成本、适用范围等都不是特别让人满意。去年，IUPAC也将“塑料降解”列入“十项将改变世界的化学创新”之中（点击阅读详细）。

在不少人眼中，基于生物技术的塑料降解和回收技术能耗低、效率高、环境友好，有非常好的前景。近日，德国格赖夫斯瓦尔德大学的Uwe T. Bornscheuer和亚琛工业大学的Lars M. Blank等研究者在Nature Catalysis 上总结了塑料生物降解技术的发展趋势，对相应的优势和局限进行了概括。

高分子材料中的主链化学键类型对生物降解能力有很大影响。一般情况下，主链含酯键或酰胺键等可水解键的少数几类塑料可以通过酶法转化为结构确定的低聚物或单体，可被重复再利用于塑料生产或升级为价值更高的产品。比如，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）通过酶水解作用在原则上可以得到对苯二甲酸和乙二醇，以及合成聚酰胺（PA），可以被酶水解为二胺/二酸或ω-氨基羧酸。而对于聚氨酯（PUR），由于化学成分更加复杂，只有少数几种类型才能回收。迄今为止，还没有具有显著PA和PUR解聚活性的酶见诸 道。而对于只含有饱和碳碳键主链的材料，通常需要借助紫外线或者强氧化剂的辅助在高分子中引入双键或者氧原子，以便于生物降解。

另一种塑料的升级再利用策略，有些类似于木质纤维素生物技术基于玉米秸秆或小麦秸秆生产生物乙醇，即将塑料生物降解之后的单体产物用于另一生物催化过程以合成高价值的分子。这种策略一般需要偶联两个不同的生物催化步骤：第一步，塑料被生物降解产生单体，第二步，基于酶催化或微生物生物合成，这些单体被用于生产更高价值的分子。例如，Lars M. Blank自己的团队今年 道了一种PET的升级再利用生物方法（bioRxiv, 2020, DOI:
https://doi.org/10.1101/2020.03.16.993592），他们将Pseudomonas putida 直接生长于PET酶法降解所得的水解产物中，生产中等链长的聚羟基脂肪酸酯（PHA），他们还设计了另外一种基因工程P. putida 菌株，可基于PET酶降解产物生产用于合成新型PUR的单体。当然，这类技术如果希望实现工业化应用还需进一步简化并提高效率。比如，如果能够统一不同催化步骤的反应条件（例如温度、pH、缓冲液），就有可能使用微生物混合培养的方法实现一锅法。或者，第一步可以用现有技术代替，例如塑料热解，以提供液体热解产物作为第二步酶催化或微生物生物合成的原料。但无论如何，要尽量避免第一步中所得小分子原料的分离和纯化步骤。

为什么塑料难以自然降解？一个可能的原因是这种人造材料的历史相对于几十亿年的生命进化史来说太过于短暂，自然界中还没有进化出可以专门以“吃”塑料为生的生物。我们当然不能坐等自然界的缓慢进化，因此，通过基因工程的手段将降解塑料的能力引入现有微生物，一直是塑料降解领域的研究重点。但是将转基因生物（GMO）故意释放到开放环境中以降解塑料，一直是被世界各国严令禁止的，毕竟这些转基因生物不仅会降解污染环境的塑料，还会影响人们正在使用的塑料，最终会带来什么结果还是无法估量。而且，坦率地说，目前公众对于转基因生物并不信任，再加上一些别有用心者“妖魔化”转基因技术，使用这些微生物还会引发关于转基因生物本身风险的争论。这个问题，需要引起科学家和科学媒体的重视，避免对民众的误导。

Possibilities and limitations of biotechnological plastic degradation and recycling

Ren Wei, Till Tiso, Jürgen Bertling, Kevin O’Connor, Lars M. Blank, Uwe T. Bornscheuer

Nat. Catal., 2020, 3, 867–871, DOI: 10.1038/s41929-020-00521-w

参考资料：

1. Carbios公司官 新闻：

https://carbios.fr/en/carbios-announces-the-publication-of-an-article-on-its-enzymatic-recycling-technology-in-the-prestigious-scientific-journal-nature/