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海洋里“捞”出塑料“吞噬者”

来源:中国科学报 作者:田瑞颖 廖洋 人气: 发布时间:2021-05-17 09:24:11

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研究人员正在做实验。中国科学院海洋研究所供图

为减少不可降解塑料的增量,越来越多的国家开始采取“禁塑令”等措施。但全球每年仍有约1.5亿吨塑料垃圾进入陆地和海洋环境。如何帮助地球“消化”海量的不可降解塑料?寻找能“吃”塑料的微生物,成为近年来科学家关注的焦点。

近日,中国科学院海洋研究所研究员孙超岷团队经过多年攻关,首次发现能有效降解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚乙烯(PE)两种塑料的海洋微生物菌群和酶——仅需两周,它们就能将最难降解的PE塑料“吃”成碎片。相关研究成果发表于《危险材料》。

小菌群大作用

塑料是一类高分子聚合物的统称,包括聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯和聚氯乙烯等。

2016年,日本京都工艺纤维大学科学家发现了能有效降解PET塑料的微生物,这一消息让众多科学家为之振奋。

虽然目前许多科学家正在寻找能有效降解塑料的微生物及酶,但对最难降解、体量最大的PE塑料,却一直没有办法。

“PE塑料具有优异的化学稳定性,比PET等其他类型的塑料更难降解,而生活中常见的一次性塑料袋、农用地膜等几乎都是PE塑料。研制出有效降解PE塑料的生物制品,对于消除白色污染至关重要。”孙超岷在接受《中国科学报》采访时说。

微生物无处不在,是否有能“吃”掉PE塑料的微生物?如果有,又该去哪儿找呢?

“全世界的塑料垃圾只有约9%得到回收再利用,其余大部分被焚烧、填埋或直接遗弃在自然环境中,而海洋正是塑料垃圾最终流向之一。”孙超岷告诉记者。

“百川归海”,他决定向海洋要答案。“海洋是塑料的主要承载地,相应地,很多海洋微生物在与塑料的长期共存中也进化出一系列塑料降解系统,其产生的塑料降解酶也成为发展塑料降解酶制剂的绝佳候选材料。”

孙超岷进一步解释道,“塑料聚合物主要被生物胞外酶解聚成短链或小分子物质,随后转运到细胞内彻底氧化。细菌可产生多种胞外酶降解塑料大分子,如脂酶、解聚酶、酯酶、蛋白酶、角质酶、脲酶和脱水酶等。”

“塑料可以转化成微生物自身生长所需的能源物质,微生物最终可以将塑料分解成对环境完全无害的二氧化碳、水等产物。”中国科学院海洋研究所博士高蓉蓉说。

中国科学院理化技术研究所研究员、工程塑料国家工程研究中心主任季君晖认为,“对于解决塑料增量问题,推行可降解塑料是主要途径,但对于解决不可降解塑料的存量问题,运用微生物进行降解是非常好的研究方向。”

大海捞“菌”

寻找能“吃”掉PE塑料的微生物,可谓大海捞针。

“适者生存,海洋中的微生物适应了高盐、高压、黑暗等极端环境,产生了一些陆地环境无法形成的天然产物,例如具有特殊功能的抗生素和酶等,这些是生物制品非常好的资源库。”孙超岷告诉记者。

2016年,在与海洋微生物打了多年交道后,孙超岷带领团队开始了这场也许没有结果的寻“菌”征程。

起初,他们在青岛近海受塑料污染较严重的海水浴场采集了上千份塑料垃圾,并对其中的菌群进行培育筛选,然而两年多的工作几乎没有进展。就在大家一筹莫展之时,偶然发现有一个菌群能有效定殖在矿泉水瓶壁,这让整个团队兴奋起来。

但菌群中含有很多微生物,并非所有微生物都能分解塑料,在进一步剔除“打酱油”的微生物、精准锁定能“吃”掉PE塑料的微生物后,孙超岷团队又耗时近3年获得了相应的微生物纯培养,并人工复配了能有效降解PE塑料的菌群,最终结合不同手段找到了降解PE塑料的相应酶。

“在筛选能降解PE塑料的微生物的过程中,我们常常几个月都在重复失败的结果,最难时也曾想过放弃,但庆幸的是,我们坚持下来了,也正是大量失败的经验促使我们最终得到能‘吃’塑料的菌群,这是一种量变引起质变的过程。”高蓉蓉感慨道。

在孙超岷看来,很多研究团队没有持续下去的原因,一方面是塑料作为近百年才出现的新型污染物,自然界的微生物还没有进化出高效降解塑料的成熟系统,筛选起来犹如大海捞针。另一方面,微生物降解塑料的效果短时间内肉眼难以观察,需要借助特殊的仪器检测。

“科学研究需要持续坐‘冷板凳’,项目没有拿到结果,是很难得到资助的,而对于有潜力但又有冒险性的课题,尤其是从‘0’到‘1’的课题,国家应该给予更多资助。”孙超岷表示。

“我们的研究为PE塑料的降解打开了一扇门,但‘登堂入室’后还需开展更多工作。”孙超岷告诉记者,“目前,团队还在精细研究酶的结构及作用机制,试图通过突变的方式找到更高效降解PE塑料的酶,并把不同的酶合在一起形成酶系,最终发展为塑料降解酶制剂。”

此外,孙超岷团队还在尝试用不同比例复配微生物菌群,希望通过调整不同微生物个体的比例,提高PE塑料降解效率。

加强学科交叉

“目前,团队发现的微生物菌群和酶还只能在实验室小规模条件下实现对塑料垃圾的部分降解,距离产业化应用还有一段较长的路要走。”孙超岷坦言。

他希望能研制出塑料降解生物制剂,并在密闭的反应器中处理塑料垃圾,对相应的降解产物进行回收再利用。“目前所使用的菌群都是常见的微生物,不会造成生物安全及二次污染问题。”

在孙超岷看来,可降解塑料全面取代传统塑料之前,后者仍具有一定的生存空间,研制塑料降解生物制品对解决已经形成和未来新增的塑料污染问题具有重要意义。

“消除地球上的白色污染,不能单靠几个团队或几个专业,必须全社会通力合作,才能突破传统塑料的降解技术瓶颈。未来,我们希望能与其他不同学科的研究团队共同努力,研制出高效降解塑料垃圾的生物制品。”孙超岷说。

在季君晖看来,利用微生物降解塑料和研制可降解塑料,虽然是两个相差较大的领域,但存在互补性。“两个学科需要更多地交叉,未来也一定会有更多的相互补充。”

“禁塑令”应循序渐进

目前,全国绝大多数省份已经发布塑料污染治理相关实施方案或行动计划。2020年12月1日,《海南经济特区禁止一次性不可降解塑料制品规定》正式实施,意味着海南正式全面禁止一次性不可降解塑料袋、塑料餐饮具等塑料制品。

但季君晖指出,真正可靠的塑料制品是全生物降解塑料,由于目前各地出台的政策缺乏统一标准,致使“部分可降解”塑料混迹市场,更尴尬的是,“全生物降解塑料目前的产量仍无法满足实际市场需求”。

他还发现,“禁塑令”存在一些执法“盲点”,对于在市场“明面”上流通的塑料,监管相对容易,而对于通过物流手段交易的塑料产品,监管起来却非常困难。

“国家应该尽快统一标准,这样一方面减少重复标准制定,另一方面便于统一管理。此外,政策制定还应循序渐进,不应‘一刀切’。对于超市等渠道销售的塑料袋等产品价格,应该进行一定的干预,以防过高价格和利润引起民众对禁塑令的抵触,并滋生廉价违规塑料产品的地下交易。”季君晖表示。

(编辑:逍遥客)

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