吃塑料的细菌来了，人类有救了吗？

塑料也许是最令人纠结的发明之一。这些轻便、结实、造价低廉的东西给人类带来了极大的便利，却也制造了几乎同样大的麻烦。人们以一种侥幸的心理将这些塑料垃圾抛弃在海洋中、埋藏在土里，希望有生之年这些垃圾不会影响到他们的生活，但是他们低估了塑料的“能力”。

有的塑料甚至要 600 年才能降解，更危险的是，塑料会分化成微塑料，进入食物链，最终进入人类的体内。究竟用什么手段可以让这些“顽固分子”不留残余地被消灭？科学家将目光投向生态系统中的分解者：微生物。

01 吃塑料的细菌？

微生物之所以可以承担生态系统分解者这一“职位”，主要归功于它们携带了各种各样的酶类。酶是一些具有生物催化剂作用的蛋白质，能加快化学反应的速度。

换句话说，酶是生命有用的工具，携带这些工具的生命具有特殊的能力。这些酶可以帮助它们适应各种环境，并且从其他生物不能利用的成分中获取营养。在土壤中，为了获取磷，微生物会产生磷酸酶；为了获得氮，微生物会产生蛋白酶等来分解含氮有机物。但是，即使微生物的“觅食”范围如此之广，见到塑料却不知如何下口。其根本原因在于塑料的成分具有很强的化学惰性，在分解代谢中，极少有酶类可以有效地作用于塑料。

大部分塑料都是由碳基单体组成的，理论上是微生物很好的“食物”。但是塑料从诞生到现在才 70 多年，在这短短的时段里，是否已经有微生物进化出有效的生化工具来分解塑料纤维呢？现在我们要寻找的就是这样的一种微生物，它身上带有可以分解塑料的酶。基于微生物如此繁多的种类，想要寻找“吃”塑料的细菌，其难度不亚于海底捞针。

日本京都工艺纤维大学（Kyoto Institute of Technology）的科学家小田耕平（Kohei Oda）课题组巧妙地缩小了搜寻范围：先从塑料污染物积累密集区域入手。微生物若想在塑料污染物积累密集区域生存，进化出可以利用塑料的功能（即酶类）是唯一的途径。因此，研究员从一个塑料瓶回收地点收集了 250 份聚对苯二甲酸乙二酯（PET，塑料的主要成分）污染的土壤、废水等环境污染样品。这些样品中含有在相应环境下的微生物群落，研究员将这些样品分别与低结晶度的 PET 薄膜混合，通过一段时间的培养后，他们在第 46 号混合样品中观察到了预期的结果。

经过显微镜观察，46 号样品的 PET膜上，长满了由细菌、原生动物和酵母样细胞构成的微生物群落中间。经过进一步分离后，研究员发现了降解 PET膜的幕后功臣：大阪堺菌（Ideonellasakaiensis）。它们附着的 PET 薄膜在显微镜下可以观察到大量的空洞。

▲扫描电子显微镜下的大阪堺菌

为什么这种细菌可以分解 PET 薄膜？进一步的分析显示，原来这些细菌黏附在 PET 表面，分泌一种 PET 降解酶（PETase），这种蛋白质“搭乘”细菌产生的管状附属物，从体内运输到体外，将 PET 降解，降解的产物为单体2- 羟乙基对苯二甲酸（MHET）。随后，MHET 被 MHET 降解酶（MHETase）进一步降解，转化为乙二醇和对苯二甲酸。其中乙二醇很容易被大阪堺菌等许多细菌吸收和利用；对苯二甲酸则通过TPA 转运蛋白进入大阪堺菌的细胞内进一步降解，最终整合到其他代谢途径。

因此，这两种来自 PET 的分子都被细菌用来产生能量和建立必要的生物分子。被吸收的碳可能被转化成二氧化碳并释放到大气中。

不过，事情往往没有想象的那么简单。利用大阪堺菌来降解 PET 为主要成分的塑料污染物看似是一个完美无缺的策略，但是在小田耕平的实验中，用这种方法降解一块小小的塑料膜需要六周左右的时间，这远远达不到人类生产塑料废物的速度。

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02 人类的另一张牌：生物可降解塑料

石油基塑料， 如 PE、PVC、PET等，由于其高疏水性、高化学键能的特点难以被微生物降解。那么我们能不能从源头开始就改变塑料的特性，生产容易被降解的塑料呢？是的！这就是生物可降解塑料，一类可以通过自然界中存在的微生物作用而降解回归环境的塑料高分子材料。

其中，具有高强度和高弹性的聚乳酸（PLA）已被认为最有希望代替目前使用的不可降解塑料（石油基塑料）。目前，聚乳酸已经被广泛地应用在包装纸、农业薄膜、塑料袋和一次性餐具等。此外，由于聚乳酸对人体无毒害，还被广泛地应用于骨科固定材料、医用缝合线和组织工程支架等领域，比较常见的就是心脏支架。

聚乳酸的制备方法相对成熟，主要分为两步：利用秸秆制备乳酸、乳酸聚合形成聚乳酸。但是，为什么如今聚乳酸塑料没有完全代替石油基塑料？原来，聚乳酸塑料通常是通过生物堆肥或者微生物降解法进行降解。研究发现，将 PLA 薄膜在土壤中掩埋 4 个月后，依旧剩下少量残片。而利用 PLA 制备的塑料产品则更难以降解，经过研究机构和环保志愿者在真实环境下的实验可知，PLA塑料袋在土壤中掩埋超过 7-12个月，仅有小部分降解，降解速度远远达不到人类产生塑料垃圾的速度。

但是，科学家并没有放弃。目前，科学家正通过筛选降解聚乳酸塑料的微生物或者对 PLA 生物堆肥的条件进行优化，逐步提升聚乳酸塑料的降解速度。同时，新的可降解材料也在逐步被发现。随着科学家的努力，生物可降解塑料替代石油基塑料正逐步成为现实。

03

微生物能否降解一些环境污染物？

目前，由于工业技术的不断发展，地球实际上已经被各种垃圾侵占，人类也在绞尽脑汁探索环境污染的修复技术。然而，利用物理和化学方法进行污染物的处理普遍会导致新型二次污染物的出现，仍然不足以减轻污染，其高昂的价格也同样令人望而生畏。这就有必要选择一种对生态友好、对生物危害小并且能够得到社会认可的方法，因此微生物修复技术受到了广泛的关注，目前已逐步发展成为一种经济效益和环境效益俱佳的、能解决日益严重的环境问题（尤其是水污染）的有效手段之一。

以环境污染物二噁英为例，二噁英是一种有机化合物，是工业上常见的无实际用途的副产物，通常是因不完全焚烧产生的。人类短期接触高剂量的二噁英，可能导致皮肤损害，如氯痤疮和皮肤色斑，还可能损伤肝脏功能。长期接触则会牵涉到免疫系统、发育中的神经系统、内分泌系统以及生殖功能的损害。

二噁英非常稳定，熔点较高，极难溶于水，可以溶于大部分有机溶剂，是无色无味的脂溶性物质，所以非常容易在生物体内积累。自然界的微生物和水解作用对二噁英的分子结构影响较小。因此，环境中的二噁英很难自然降解消除，常以微小颗粒形态存在于大气、土壤和水中。

目前，研究发现，已经有多种微生物可以应用于环境污染物二噁英的降解，这些降解菌以二噁英为碳源，最终将二噁英分解为二氧化碳和水，从而实现降解。

▲鞘氨醇单胞菌属细菌（Sphingomonas wittichii RW1） 可以降解二噁英等多种含氯化合物

04

巨大的挑战：利用基因工程细菌治理环境污染

上述的大阪堺菌降解 PET，对低结晶度 PET 降解的效率比较高，而降解高结晶度 PET 所需的时间就很长。事实上大量的 PET（如饮料瓶）是高度结晶的，因此，要采用大阪堺菌降解这种PET，就要先对该细菌的酶进行优化以提升其效率。

除了通过自然突变或者物理化学诱变筛选可用于降解污染物的菌株，科学家还利用基因工程来人工“改造”细菌，这就是基因工程菌。

基因工程菌，是指将细菌内原本没有的特别基因通过载体导入细菌体内。细菌有了这种基因，就可以按照我们的设计蓝图表达产生我们所需要的蛋白，在这里也就是用于降解塑料的酶。

人们采用了各种策略来构建超强的基因工程菌株，此外，对于各种基因的表征和细菌降解污染物原理的阐明，使得开发更高效的基因工程菌成为可能。

随着大量污染物降解基因的发现，将基因引入繁殖能力强、适应性强的微生物，极大地提高了基因工程菌在重金属污染等极端环境下的适应能力和处理效率。

尽管利用基因工程菌处理环境污染问题具有巨大的发展潜力，在目前阶段也取得了令人鼓舞的结果，但是基因工程菌在处理污染物过程中仍存在一些问题。比如，在微生物中表达过多的污染物降解酶会增加细胞的负担，在一定程度上降低了菌株的生长和繁殖速度；长期使用的基因工程菌很难保证具有长期的功能完整性。

此外，用于处理环境污染问题的基因工程菌的安全性也是人类需要关注的主要问题。进入生态环境后，经过生物工程技术改良的高降解能力基因工程菌将对大气和人类产生长期的影响。因此，在投放一种基因工程菌之前，要保证它的可控性，保证它不会成为优势菌，对原来环境的微生物群落结构产生长期的显著影响，也不会逃逸到释放区外。

在短时间的实验室条件下，很难预测基因工程菌在生态环境中长期存在带来的影响。因此，考虑到可能的不良工程菌株对人类生存的影响和生态环境的平衡，基因工程细菌是否可以广泛应用于自然环境仍存在争议。

不过，我们仍可以将希望寄托于未来，在当今科技飞速发展的情境下，希望基因工程菌可以替人类完成这艰难的环境治理任务。