塑料由于其獨特的性能已經成為國民經濟中的支柱，它在當今的生產生活中具有重要且不可替代的地位。上到復雜精密的航空航天，下到簡單日常的吃飯逛街，幾乎每個地方每個瞬間都能看到塑料的身影。預計在2040年，全球塑料的生產量將會達到每年8億噸，其中的絕大部分在很短的生命周期之后，就會變成難以處理的塑料垃圾。由于人們需要保證塑料材料的硬度、強度、耐用性、穩定性，因此塑料幾乎都難以自然降解。當前對于塑料垃圾的處理方式通常是填埋和焚燒，這些方式給環境保護帶來了巨大的壓力，而且這種“生產-廢棄-處理”的單向過程也不符合循環經濟的理念。因此，以物質回收為目標的塑料循環再生處理技術就變得非常有必要，一方面保護環境，降低碳排放，另一方面也是節約資源的重要手段。目前，已經存在一些工業化應用的塑料回收利用手段，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的溶劑分解和含聚烯烴混合塑料的熱解。但總體而言，這些技術的回收效率、回收物價值、商業及環境成本、適用范圍等都不是特別讓人滿意。去年，IUPAC也將“塑料降解”列入“十項將改變世界的化學創新”之中（點擊閱讀詳細）。

設想的基于生物技術的塑料循環經濟。圖片來源：Nat. Catal.

在不少人眼中，基于生物技術的塑料降解和回收技術能耗低、效率高、環境友好，有非常好的前景。近日，德國格賴夫斯瓦爾德大學的Uwe T. Bornscheuer和亞琛工業大學的Lars M. Blank等研究者在Nature Catalysis 上總結了塑料生物降解技術的發展趨勢，對相應的優勢和局限進行了概括。

Uwe T. Bornscheuer教授。圖片來源：University of Greifswald

高分子材料中的主鏈化學鍵類型對生物降解能力有很大影響。一般情況下，主鏈含酯鍵或酰胺鍵等可水解鍵的少數幾類塑料可以通過酶法轉化為結構確定的低聚物或單體，可被重復再利用于塑料生產或升級為價值更高的產品。比如，聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）通過酶水解作用在原則上可以得到對苯二甲酸和乙二醇，以及合成聚酰胺（PA），可以被酶水解為二胺/二酸或ω-氨基羧酸。而對于聚氨酯（PUR），由于化學成分更加復雜，只有少數幾種類型才能回收。迄今為止，還沒有具有顯著PA和PUR解聚活性的酶見諸報道。而對于只含有飽和碳碳鍵主鏈的材料，通常需要借助紫外線或者強氧化劑的輔助在高分子中引入雙鍵或者氧原子，以便于生物降解。

這里著重說下PET這種聚酯的生物降解進展。一方面是這種塑料的產量占世界上聚合物總產量的18%，高居第四，而且這種塑料常用于各種飲食包裝，是最常見的生活垃圾。另一方面是因為酯鍵的生物降解過程相對來說比較容易，最近很是取得了一些進展。比如，2016年日本科學家發現了一種對PET 塑料有天然“食欲”的細菌（Ideonella sakaiensis），可以將PET作為其主要的碳源和能量來源（Science, 2016, 351, 1196-1199, 點擊閱讀詳細）。可惜的是這些細菌喜歡非晶的PET，而不是在實際產品中使用的結晶態PET；另外環境條件下降解緩慢，不太適于在工業上使用。在此之外，科學家們也發現其他幾種可以降解PET的酶，并通過生物工程技術對酶進行改進。比如，今年4月法國圖盧茲大學Alain Marty等研究者以Nature 封面文章的形式報道了經過基因工程改進的角質酶LCC（leaf-branch compost cutinase），可以高效降解PET，而且降解產物可以重新作為合成PET的原料（Nature, 2020, 580, 216-219, 點擊閱讀詳細）。更讓人高興的是，這種技術很有希望進行商業化，Marty表示，“該工藝將于2021年在我們位于里昂附近的法國化學谷中心的示范工廠進行進一步的測試。” [1]不過，這種回收策略在經濟上的可行性很大程度上取決于石油的價格，油價越低，基于石化產品的塑料材料相對于再生塑料在價格上就更有競爭力。

Alain Marty等人的Nature 封面工作。圖片來源：Nature

另一種塑料的升級再利用策略，有些類似于木質纖維素生物技術基于玉米秸稈或小麥秸稈生產生物乙醇，即將塑料生物降解之后的單體產物用于另一生物催化過程以合成高價值的分子。這種策略一般需要偶聯兩個不同的生物催化步驟：第一步，塑料被生物降解產生單體，第二步，基于酶催化或微生物生物合成，這些單體被用于生產更高價值的分子。例如，Lars M. Blank自己的團隊今年報道了一種PET的升級再利用生物方法（bioRxiv, 2020, DOI: https://doi.org/10.1101/2020.03.16.993592），他們將Pseudomonas putida 直接生長于PET酶法降解所得的水解產物中，生產中等鏈長的聚羥基脂肪酸酯（PHA），他們還設計了另外一種基因工程P. putida 菌株，可基于PET酶降解產物生產用于合成新型PUR的單體。當然，這類技術如果希望實現工業化應用還需進一步簡化并提高效率。比如，如果能夠統一不同催化步驟的反應條件（例如溫度、pH、緩沖液），就有可能使用微生物混合培養的方法實現一鍋法。或者，第一步可以用現有技術代替，例如塑料熱解，以提供液體熱解產物作為第二步酶催化或微生物生物合成的原料。但無論如何，要盡量避免第一步中所得小分子原料的分離和純化步驟。

PET的升級再利用策略。圖片來源：bioRxiv

在微生物與酶之外，人們也發現一些昆蟲的幼蟲可以直接吃掉塑料，比如西班牙國家研究委員會的Federica Bertocchini等人發現蠟蟲能夠啃食聚乙烯塑料（Curr. Biol., 2017, 27, R292-R293，點擊閱讀詳細），這可能是因為聚乙烯與蠟蟲的食物蜂蠟具有類似的結構（下圖）。但是，這些蟲子是否真的能消化掉塑料，相關工作卻沒有給出確切的證據。從宏觀上來看，確實存在塑料的降解，但是這種降解究竟是機械作用（如咀嚼）的結果，還是我們更希望看到的微生物與酶參與的生物裂解的結果，還需要詳細的加以區別。目前給出確切結果的研究并不多，比如，北航楊軍教授、江雷教授等人通過抗生素抑制證明了黃粉蟲（mealworm）腸道微生物對于PS的生物降解和礦化作用（Environ. Sci. Technol., 2015, 49, 12087–12093），他們還用放射性標記的PS進行了追蹤實驗，確認了生化礦化作用（Environ. Sci. Technol., 2015, 49, 12080–12086）。另外，一些酶催化體系現在已經被證實在催化塑料降解方面具有很大的應用潛力，比如漆酶，它具有耐高溫的特點，但是在微生物體內野生型的酶催化降解塑料的活性還沒有見諸報道。因此，作者認為研究人員在發表文章時應該注意實驗結果以及相應機理的研究，比如通過同位素標記實驗追蹤生物降解過程，研究清楚塑料降解的分子機理。而不嚴謹的報道不僅會擾亂學術界的認知，更嚴重的還可能會給公眾和媒體帶來錯誤的概念和虛假的希望，使他們誤以為“塑料垃圾危機很快就會被解決，所以隨意丟棄塑料垃圾也沒有問題”，這會導致更嚴重的污染問題。

蠟蟲吃掉聚乙烯塑料。圖片來源：Curr. Biol.

為什么塑料難以自然降解？一個可能的原因是這種人造材料的歷史相對于幾十億年的生命進化史來說太過于短暫，自然界中還沒有進化出可以專門以“吃”塑料為生的生物。我們當然不能坐等自然界的緩慢進化，因此，通過基因工程的手段將降解塑料的能力引入現有微生物，一直是塑料降解領域的研究重點。但是將轉基因生物（GMO）故意釋放到開放環境中以降解塑料，一直是被世界各國嚴令禁止的，畢竟這些轉基因生物不僅會降解污染環境的塑料，還會影響人們正在使用的塑料，最終會帶來什么結果還是無法估量。而且，坦率地說，目前公眾對于轉基因生物并不信任，再加上一些別有用心者“妖魔化”轉基因技術，使用這些微生物還會引發關于轉基因生物本身風險的爭論。這個問題，需要引起科學家和科學媒體的重視，避免對民眾的誤導。

在塑料生物降解技術還沒有確定決定性突破的現在，作者認為還是有一些工作可以做在前面。比如，各國應該限制并減少一次性塑料制品的使用，降低并限制不可降解塑料材料的生產與使用，建立有效的廢物處理設施來收集、運輸、分類和回收使用過的塑料，加大對于塑料生物降解技術以及循環再利用技術與產品的研發支持和政策傾斜，鼓勵使用可生物降解的塑料（例如聚乳酸（PLA）和PHA）代替其不可生物降解的塑料（要注意，許多被稱為可生物降解的聚合物材料在天然土壤和水環境中不能降解）等等。

不同類型的塑料與其特點。圖片來源：Nat. Catal.

最后，在理想的塑料循環經濟成功建立之前，作者提出了應對塑料污染危機的“6R”原則（rethink、refuse、reduce、reuse、recycle、replace）。雖然現在僅依靠酶或微生物等生物技術手段絕不可能去處理已經在環境中存在的數十億噸塑料垃圾，但我們每個人都可以行動起來，改變生活方式，為解決塑料污染危機貢獻力量。

原文（掃描或長按二維碼，識別后直達原文頁面）：

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