微生物——减塑行动的高效践行者
作者：刘嘉唯、董维亮
从“首屈一指”到“千夫所指”
在19世纪中叶，我们熟知的乒乓球还是以稀缺昂贵的象牙为原料制作的，乒乓球制作商重金悬赏成本低廉的乒乓球材料。重赏之下必有勇夫，美国人海厄特经过不断尝试，发现了一种由硝酸纤维素以及樟脑制成的热可塑性塑料——赛璐珞。它不仅解决了乒乓球制作的问题，还被广泛应用于制造各种物品。随后，具有性能稳定、可塑性强、生产成本低等优点的塑料相继出现，给人们生活带来巨大便利。
目前，全世界每年约生产3.59亿吨塑料，除了9%可被回收，其他90%以上的废弃塑料或被焚烧，或被填埋，或被直接丢弃。预计到2050年，地球上的废弃塑料会达到120亿吨。一般而言，塑料袋在自然条件需要10~1 000年才会“消失”。可想而知，自然界还未有足够能力“消化”这与日俱增的废弃塑料。更可怕的是，在塑料不合理处置的过程中，不仅给自然环境带来了极大的危害，甚至还威胁着你我的生命健康。那么，我们该如何合理解决这日益严重的“白色污染”问题呢？
目前，利用微生物“产塑料”和“吃塑料”这两个解决方案得到了青睐。所谓的“产塑料”是利用微生物生产生物可降解塑料的原料；“吃塑料”指在自然界中找到将废弃塑料作为营养物质进行生长代谢的微生物，它不仅可以加快废弃塑料分解成二氧化碳进入生态循环的过程，还能将废弃塑料转化为其他有价值的化学品。这样不仅从源头解决了塑料难降解的问题，还能实现废弃塑料的快速降解和产品升值。
微生物如何“产塑料”
微生物可将自然界动植物中形成的天然物质（如玉米、纤维素、淀粉、木质素等）转化为生物塑料原料，制备成易于降解的新型塑料。这种生物塑料通常在自然环境中几个月内即可降解，并且降解过程中不会产生有毒残留物，具有可再生性、可生物降解、绿色环保等优势。
较为常见的生物塑料包括聚羟基烷烃（PHA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和聚乳酸（PLA）等，已被用于食品包装、餐具和纺织品等。然而目前生物塑料产量仅占塑料年生产量的1%，这和其成本较高密不可分，也限制了其市场的扩大。以PBS为例，其原料丁二酸和丁二醇的价格约是传统塑料的3.6倍。为了有效降低PBS生产成本，南京工业大学姜岷研究团队通过“一步厌氧”技术，缩减丁二酸工业菌株构建过程中的有氧培养过程，有效降低了丁二酸的生产成本。该技术的开发，将有望催生生物塑料市场快速复苏，为治理“白色污染”开辟新途径。
微生物如何“吃塑料”
最早的废弃塑料在地球上已存在百年有余，自然界也进化出一些以塑料为食的生物（包括昆虫、真菌和细菌等）。科学家发现黄粉虫、蜡螟等昆虫能够有效啃食并分解难降解的聚烯烃类塑料，如聚乙烯和聚苯乙烯塑料等。南京工业大学研究团队将聚醚型聚氨酯泡沫作为唯一的食物喂食黄粉虫，喂食 35天后，聚氨酯泡沫的质量损失高达67%。面对这一惊喜的结果，研究团队对黄粉虫进一步分析，发现其降解塑料的秘密武器正它们肠道中的微生物及其胞外分泌酶。这些酶可以水解聚合物大分子链的化学键，生成低分子量寡聚物或单体分子，进一步被微生物吸收和利用（Chemosphere 304 (2022): 135263）。
由此重要发现，该团队不禁想到可以直接从垃圾填埋场、森林和海洋等长期存在塑料垃圾的场所中高效筛选有塑料降解能力的微生物。借助于塑料荧光探针设计与液滴微流控高通量筛选技术，研究团队设计合成了两种高分子芳香族聚硫酯 PETS2 和 PETS1，通过与经典的巯基识别荧光探针 FL-ST 结合。解决了以往通常是基于小分子酯结构设计的荧光探针，所筛选出的酶可能无法解聚聚合物的问题，实现了对聚酯解聚微生物和酶的活性分析与筛选，建立了高效塑料降解微生物资源库（AlChE Journal, 2024, e18539）。
本研究团队发现的一株真菌在28天后可以降解43.9%的聚氨酯薄膜，15天后可以降解83.8%的聚氨酯泡沫。研究团队发现真菌降解聚氨酯的能力比细菌强，可能是因为真菌菌丝具有强大的吸附能力以及他们的酶系统和疏水蛋白有重要的修复作用。这些微生物及其胞外分泌酶可以大大降低塑料的积累量，是一个解决“白色污染”问题的极有前景的方案（Journal of Hazardous Materials, 2023, 448, 130776；Applied and Environmental Microbiology 90.4 (2024): e01477-23）。
然而缓慢的生物降解过程是塑料降解工业化的障碍，需要进一步改造其中的塑料降解元件的催化活性。为了克服这一局限性，本研究团队与北京化工大学朱玉山教授合作，以来源于红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）中的酯酶RPA1511为研究对象，通过组合多种酶热稳定性的计算设计工具，通过组合迭代突变，获得一个性能最优的突变体R5。与野生型相比，突变体R5的热变性温度（Tm）提高了8℃，比酶活性提高了11.5倍，获得了一种高催化活性和热稳定性的PLA解聚酶，有望促进PLA的生物回收过程（Green Chemistry, 2024, 26, 7268-7279）。
微生物如何“变废为宝”
塑料降解过程中产生的寡聚物和单体，可以借助物生物“超级工厂”，设计与构建塑料降解物到高值化学品的合成路径，实现塑料循环经济的发展。姜岷研究团队通过耦合适应性进化与高通量筛选技术，利用微生物将废弃塑料酶解聚单体1,4-丁二醇、己二酸等原料转化为油脂、鼠李糖脂和聚羟基丁酸酯（PHB）等高值化学品，建立了将塑料单体转化为不同高值化学品的生物转化路线，实现了塑料的循环再利用，真正实现“变废为宝”。
例如，本团队利用Ca²⁺调控PET高效酶法解聚及实现产物高值化应用，实现“一箭三雕”：1）解除产物反馈抑制，解聚反应过程中几乎无抑制中间产物MHET积累。2）因影响体系pH的产物TPA与Ca2+直接形成沉淀，解聚过程只需使用少量碱并直接进行产物分离。3）因Ca2+离子是PET塑料解聚酶的激活剂，可提高催化反应速率。本研究还将产物CaTP作为负极材料应用到锂电池的制备中，其性能可与商业化锂电池相媲美（Angewandte Chemie International Edition 2024, 63(1): e202313633）。
基于学科交叉创新，研究团队也提出了一种通过两步法实现废弃塑料高值转化的方法，通过酶催化-电催化级联催化能够在温和条件下，实现了百克级废弃PET塑料转化为乙醇酸盐，是一条低碳、经济的PET升级循环新途径（Nano Letters 2024, 24(31): 9768–9775）。
微生物减塑行动的未来展望
然而，微生物减塑行动的未来并非一片坦途。我们还需要解决一些挑战，比如如何进一步提高生物降解塑料的效率，使其能够满足各种应用的需求；如何降低生物降解塑料的成本，使其在市场上具有竞争力；以及如何建立有效的回收和处理系统，确保这些塑料能够在适当的条件下被安全地分解。
此外，还需要加强公众教育，提高人们对塑料污染问题的认识，从源头减少对塑料产品的使用。总之，微生物减塑行动的未来是充满希望的。通过科技创新、政策支持和公众参与，我们有望在不久的将来，塑造一个更加清洁、绿色的地球，实现环境的可持续发展。
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