用微生物解决塑料危机，这种方法是否真正可行？

为了解决全球不断增长的塑料问题，人类可能需要动用一切工具，甚至包括微小的细菌和真菌。科学家们在瑞士阿尔卑斯山和北极地区发现了能够降解塑料的微生物，而且重要的是，它们无需高温处理。这项研究成果发表在本月的《微生物学前沿》杂志上，有望将来改善塑料回收处理。

塑料污染问题已经变得严峻，无论是大太平洋垃圾带，还是存在于我们的饮用水、茶叶、鱼类和血液中的微塑料，都已成为全球性的难题。自从二战期间和战后塑料产量爆发以来，人类已经生产了超过91亿吨的塑料，而据研究人员估计，只有不到十分之一的废弃塑料得到了回收利用。更糟糕的是，最常见的回收方式——将塑料清洗、加工并制成新产品——实际上并不

随着全球塑料污染问题日益严重，科学家们一直在寻找有效的解决方案。最近，利用微生物降解塑料的新方法引起关注。这篇文章来自编译，作者通过探讨一种啃食塑料的细菌的发现过程，系统阐述了微生物降解塑料的科学原理、工业化进程及应用前景，指出这种天然的生物方法可能会成为解决白色污染的关键。

1、垃圾场里的意外发现：一种能降解塑料的新型细菌

2001 年，日本的一个科学家团队在一个垃圾场里的泥土沟渠中，发现了一个惊人的现象。在满是泥土和废物的沟渠里，他们发现了一层正在“啃食”塑料瓶、玩具和其他杂物的细菌薄膜。当细菌分解这些垃圾时，它们会吸收塑料中的碳作为能量，用于生长、移动和繁殖。虽然这种“进食”方式与我们通常理解的有所不同，但这些细菌确实是在“吃”塑料。

该团队的负责人是京都工艺纤维大学（Kyoto Institute of Technology）的小田广平（Kohei Oda）教授。该研究团队原本在寻找可以软化合成纤维的物质，例如同样也是塑料的用于制造大多数饮料瓶的聚酯纤维。小田教授是一位微生物学家，他认为微生物是自然界中的“工程师”，能够解决各种科学问题。他曾对我说：“仔细观察自然界，你经常都会有非常好的发现。”

小田教授和他的同事在垃圾场里发现的是一种从未见过的细菌。他们原本希望发现一种能够分解塑料表面的微生物，但这些细菌所做的远不止于此——它们似乎正在完全分解塑料，并将其转化为基本营养物质。从我们对塑料污染规模的认识来看，这一发现的潜力似乎是显而易见的。但事实上，“微塑料”这一词首次出现于 2004 年。因此，小田教授称，在当时的 2001 年，这个发现并没有“被视为一个极为有趣的话题”。该团队关于这种细菌的初步论文也从未发表。

自该团队发现这种能够分解塑料的细菌以来，塑料污染问题已经变得越来越不容忽视。在过去 20 年里，我们已经制造出了 25 亿吨塑料废物。另外，现在每年还在产生大约 3.8 亿吨塑料废物，预计到 2060 年这个数字还将增加两倍。一个比英国国土面积大 6 倍的塑料垃圾堆坐落在太平洋中部。世界各地的海滩都淤塞着塑料废物，垃圾填埋场也堆满了这些废物。在微观角度来看，微塑料和纳米塑料颗粒已经被发现存在于水果和蔬菜中，它们可以通过多种途径进入这些食物。其中，植物根系吸收是主要途径。此外，它们也被发现已经存在于人体几乎所有器官中，甚至可以通过母乳在母婴之间传递。

目前的塑料分解或回收方法仍然存在明显的不足之处。大多数塑料回收需要经过粉碎和研磨，这会使塑料的纤维起毛和断裂，导致其质量降低。与之相比，玻璃或铝制容器可以无限次熔化和重塑。塑料水瓶在回收过程中都会发生降解。回收后的塑料瓶会变成斑驳的袋子，再变成纤维绝缘材料，最后成为路面填料，直至无法再被回收利用。而这还只是最好的情况。现实中，只有不到 9% 的塑料会进入回收站。目前唯一的永久处理塑料的方法是焚烧。每年有近 7000 万吨塑料被焚烧，这会释放塑料中的碳进入空气，加剧气候危机，还会释放任何可能混合在其中的有毒化学物质。

2、细菌酶引领塑料回收工业化：减排与循环利用的双丰收

发现新微生物并在实验室对其进行改造是第一步，但科学家们知道，最终将其应用于“现实世界”或“工业领域”可能是一个难以实现的目标。对于“啃食”塑料的微生物而言，这一目标已经实现。自 2021 年以来，一家名为 Carbios 的法国公司每天就能使用细菌酶处理约 250 公斤的 PET 塑料废物。该公司的技术可以将 PET 塑料分解为前体分子，然后直接制成新塑料。虽然这项技术尚未完全实现让塑料回归自然，但 Carbios 公司已经实现了塑料回收的终极目标，使其更接近像玻璃或铝这样无限循环再生的材料。

Carbios 公司位于法国克莱蒙费朗（Clermont-Ferrand）的一处低矮工业设施内，就在第一家米其林轮胎工厂的原址上。但在内部，它看起来不像恶臭的旧工厂，反倒更类似一个城市“酿造厂”。加工后的塑料废物储存在巨大的钢制发酵罐里。管道中传来液体流动的声音，但没有任何气味。来自回收站的脏塑料堆放在一堆堆的大包装中，等待着进一步加工再利用。

首先，塑料会被粉碎成碎片，然后通过一台类似巨型压印机的机器，将其冷冻并在高压下挤压通过一个细小的出口。这些塑料会以颗粒的形状弹出，它们被称为塑料米粒，大小与玉米粒相当。在微观层面，塑料米粒的密度远低于塑料化学家所说的原始“结晶”状态。组成塑料的纤维原先紧密缠绕，形成光滑坚固的网格结构；现在，这些纤维虽仍完整，但间距变大了，这也为酶创造了更大的作用面。

在野外，细菌会产生有限数量的能够降解塑料的酶，以及许多其他酶和废物。为了加速这一过程，Carbios 公司付费让一家生物技术公司从细菌中提取和浓缩大量纯净的、可降解塑料的酶。然后，该公司的科学家会将塑料米粒放置于一个高数米的密封钢制容器中，其中装有水和酶的溶液。在相邻的实验室里，你可以在较小的容器中观察和研究其反应。在容器内，灰白色的塑料米粒像雪球中的雪花一样旋转着。随着时间的推移，塑料会逐渐分解，其组分会溶解在溶液中，最后只剩下在玻璃容器中翻滚搅动的带有灰色色调的液体。此液体现在不再含有固体 PET，而只含有两种被称为乙二醇和对苯二甲酸的液体化学物质，它们可以提取出来制成新的塑料。

Carbios 公司研发的这种技术似乎可以轻松实现规模化。两年前，该公司仅能在实验室规模下回收几千克塑料；现在，他们每天都能处理约 250 公斤的塑料。2025 年，该公司还将在与比利时接壤的边境地区新设一个更大的工厂，日处理量将达到 130 吨以上。

斯里兰卡城市 Panagoda 某塑料回收厂的工人正在整理回收塑料瓶制成的塑料芯片。图片来源：Ishara S Kodikara/AFP/Getty Images

法国之所以已经建成了利用细菌技术回收塑料的工厂，而美国和中国没有，是因为法国政府已经将塑料废物作为当务之急，并设定了到 2025 年法国使用的所有塑料包装必须全部是回收利用的目标。虽然环保人士更倾向于完全停止生产新的塑料，但法国总统马克龙（Macron）认为，未来几十年仍将需要一定量的高品质新塑料，他还在自己的领英账号上点名表扬了 Carbios 公司。这种压力似乎正在见效。无论是欧莱雅（L’Oréal）、雀巢（Nestlé），还是户外用品制造商所罗门（Salomon），法国一些大型制造商都已经和 Carbios 公司签约，委托该公司去处理其塑料废物。随着世界各地政府开始逐步兑现减少塑料废物的宏伟承诺，更多国家也可能会效仿这种做法。

值得一提的是，这类工厂绝不是万能解决方案。酶回收过程是一系列非常复杂的生物化学反应，随着规模的扩大，我们会发现大自然是无情的“会计师”。如果我们追踪各种所需投入的资源以及其碳排放，我们会发现清洗塑料、加热和冷冻所需的能源成本非常高。化学反应本身会使周围溶液酸化，就像室外游泳池一样，必须不断向溶液中添加化学碱以保持接近中性。每次反应都会产生数千克硫酸钠副产物。硫酸钠有许多用途，包括制造玻璃和洗涤剂，但是从制造化学碱到运输硫酸钠进一步利用，都会增加环境成本和操作方面的挑战。

在 Carbios 工厂综合体一间明亮的会议室里，该公司首席执行官埃马纽埃尔·拉当（Emmanuel Ladent）告诉我，公司当前的回收工艺比生产新塑料减少了 51% 的碳排放量。此外，该工艺还减少了对石油开采的需求，不会净增加塑料总量。拉当总结道：“这是非常不错的开始，但我们希望能做得更好。” Carbios 公司目前还没有公开发布有关分析数据，但几位熟悉该领域的科学家告诉我，这种回收工艺在理想情况下可以达到减少碳排量一半的效果。

Carbios 公司及其背后的科学家——图卢兹大学（University of Toulouse）生物学家阿兰·马蒂（Alain Marty）和文森特·图尔尼耶（Vincent Tournier），在这一领域已有 10 多年的研究经验。在小田教授公布其团队的发现后，许多其他科学家才开始进行类似的研究。但马蒂和图尔尼耶早在 2000 年代中期就开始了这项研究。他们使用了一种不同的酶，即“叶肥酶”（LCC）。这种酶并非是进化来作用于塑料的，但马蒂和图尔尼耶认为它有这个潜力。这种酶可以作用于叶蜡涂层，而叶蜡涂层与塑料具有密切相似性。马蒂最近告诉我：“它的弱点在于不太适合高温，但不管怎样，这也是一个好的开头。” 从过去无数轮的基因工程来看，这种酶显然是有效的。

美国国家可再生能源实验室的研究小组负责人贝克汉姆表示，叶肥酶“确实是一种非常出色的酶”。但他也指出，它仍然存在一些缺陷，比如更喜欢高度加工的塑料，也不是特别擅长在其自身反应产生的酸性溶液中工作。贝克汉姆认为，大阪堺菌所产生的酶可能是专门进化用于攻击塑料的，因此具有更大的改进潜力。当然，科学家之间也存在一定的竞争，因此往往会对竞争对手的工作持怀疑态度。当我向 Carbios 公司的马蒂提起贝克汉姆的评论时，他回应说：“每当有新的酶出现时，例如最近的大阪堺菌酶，都会引起很大的轰动。我们也会进行测试，但根据我们的测试，它们的效果并不佳。”在研究叶肥酶近 20 年后的今天，他仍然对其充满信心。

3、微生物降解塑料，潜力无限但道阻且长

高度进化的微生物是否能帮助我们摆脱塑料危机，科学界仍存在争议。一些科学家认为，这种技术仍然存在局限性。《自然》（Nature）杂志最近发表的一篇综述指出，由于断裂化学键需要消耗巨大能量，许多类型的塑料可能永远无法高效地进行酶促降解。朴茨茅斯大学的皮克福德教授了解这些局限性，但他认为仍有许多可行的目标。他说：“尼龙难以降解，但仍有可能。聚氨酯也是如此。” Carbios 公司的科学家们也持类似观点，他们预计在几年内研发出尼龙回收工艺。如果这些预测成真，大约四分之一的塑料将实现真正的可回收。如果对所有从理论上可降解的塑料都能找到匹配的酶，那近一半的塑料废物都可能被利用。

然而，大多数科学家的目标仍然是利用酶将旧塑料转化为新塑料。这种回收方法从规模上来讲存在局限性，也令人相当沮丧。虽然从经济上讲是有意义的，但它仍然会产生塑料并消耗能源。回收虽然可以减缓新塑料的生产，但却无法收回已经释放到自然环境中的大量塑料，其中大部分仍然过于分散、难以收集，并造成严重污染。

目前，我们还没有发现能够像分解有机物那样真正分解未经处理的塑料的微生物，这一过程就像在大约一年的时间里将一堆碳（例如人体）分解成仅剩无法降解的骨骼碎片一样。当科学家在垃圾场的塑料瓶堆或海洋上漂浮的垃圾岛上发现了“啃食”塑料的微生物时，这些微生物最多只算是在轻微地啃食。就像对待刚长牙的婴儿一样，如果不对塑料进行软化和预处理，这些微生物对任何东西都不会产生太大的影响。

但值得一提的是，微生物确实有能力将地球上一些最有毒的毒素无害化，并在此过程中净化整个环境。这种方法对于已经存在于地球上数百万年的化学物质最有效，因为微生物已经进化出了对这些物质的分解能力。例如，在 1989 年埃克森瓦尔迪斯号（Exxon Valdez）石油泄漏事件中，大部分原油的清除工作都是由天然的可分解石油的细菌完成的。为促进这些细菌的生长，人们沿海岸线施撒了近 5 万公斤氮肥。同样，在 2012 年伦敦奥运会开赛前，为了清理斯特拉特福（Stratford）一个用作奥林匹克公园的工业污染区，负责清理该场地的委员会将超过 2000 辆装满受石油和其他化学物质污染的土壤运送到了其他地点，然后在那里向土壤中注入将氮气和氧气，这个过程持续了数周时间，以此促进细菌的生长和繁殖，从而消耗土壤中的毒素。随后，这些土壤又被运回斯特拉特福，用于建造奥林匹克公园。

4、大规模部署仍面临诸多挑战

不过，也有专家提醒说，即使这些新技术有朝一日大规模部署，它们仍将面临诸多问题，甚至可能带来未知的风险。

首先，这些细菌大多只能消化PET，可能对其他几种塑料——如用于制造洗发水瓶或管道等更坚硬材料的HDPE可能很难利用这些细菌实现生物降解。

此外，细菌也不能将塑料降解成其碳和氢，通常只会将其分解成单体，而单体通常只能被用来制造更多塑料。例如，卡比奥斯的工厂就打算将PET塑料变回原料，以生产更多塑料。

而且，即使未来有可能大量生产出细菌并将其派往垃圾堆，这种方法也可能带来其他问题——对这些塑料进行生物降解有可能释放出其中包含的化学添加剂，从而污染环境。

专家表示，战胜塑料废物危机的最佳方法是，将使用其他可重复使用的物品来替代。例如，英国诺普勒（Notpla）公司利用海藻酸钠凝胶制成了可自然生物降解的无塑料包装。

文章来源： 36氪，科技视界，中国生物技术网