塑料末日？吃传统塑料，产塑料替代物的细菌都有新突破！

这是《肠道产业》第 217 篇文章

编者按：

近年来，人们越来越意识到生态环境的重要性，意识到不能以生态环境为代价换取经济的发展，因为自然环境是人类生存和繁衍的物质基础，保护和改善自然环境是人类维护自身生存和发展的前提。

2020 年 3 月 19 日发表在 Scientific Reports 上的一项研究表示：在日常工作中打开塑料包装（如巧克力塑料袋和塑料瓶），可能会产生少量的长不到 5 毫米的小塑料颗粒，即微塑料。

目前的研究尚未明确它们所带来的风险和可能的毒性以及如何被人类吸收，还需要对人类进行下一步的研究。

从上述研究来看，日常塑料会带来可能有害健康的微塑料，然而关于塑料的争议不止于此。

今天，我们就来聊聊主要的环境污染之一塑料与微生物之间的关系，共同探讨如何利用微生物解决塑料污染问题。希望该文给相关产业和科技从业人员带来一些启发并提醒诸位读者重视保护环境。

塑料的利与弊

20 世纪 50 年代，随着“塑料时代”的到来，建筑技术发生了翻天覆地的变化。化石燃料的工业发展带来了种类繁多的塑料，从绝缘材料到机械材料再到涂料，各种材料都发生了变化，时至今日塑料仍然是每一个建筑构件中无处不在的组成部分。

不仅仅是建筑，其实到处都能找到塑料。我们穿的衣服、住的房子、开的车里能发现塑料，看的电视、用的电脑和使的工具也都含有塑料。人们在各种地方使用塑料产品，努力让生活变得更便捷、更安全、更愉快。

可事实上，塑料的原料主要来自石油或天然气，而这就会引发很多问题。比如，石油的资源十分有限。又比如，在石油开采和提炼的过程中极易造成污染。除了在开采和提炼过程造成的标准污染外，有可能会发生像 2010 年墨西哥湾沿岸的大规模石油泄漏这样的重大生态破坏性事故。

另一个方面，塑料生产过程中会释放有毒化学物。一大堆有害的化学物质会伴随着塑料的制造而被产生，然后会不可避免地通过水、土壤和空气进入并破坏我们的生态系统。这其中的许多化学物质是持久性有机污染物，是地球上最具破坏性的毒素之一。

此外，更为可怕的是塑料难以降解。一些塑料袋和塑料瓶可以经过数百年、数千年、甚至数百万年仍未被降解，这是因为自然界中大部分的微生物不把塑料当作食物，因此也就不会去分解它。

不过最近发现的一些新微生物或许可以帮助我们解决这一问题。

新细菌助力塑料降解

聚苯乙烯是一次性杯子、餐具、玩具和包装材料等一次性塑料制品中的关键成分。目前，聚苯乙烯在各个行业的生产和消费呈指数级上升，这给环境造成了巨大威胁，而废物利用效率低又加剧了这一问题。

据联合国统计，全球每年大约会产生 3 亿吨塑料垃圾，大约只有 10%被回收利用。据估计，印度每年消耗约 1650 万吨塑料。全印度塑料制造商协会（AIPMA）估计，塑料行业生产约 1400 万吨聚苯乙烯，而且这些聚苯乙烯全都是不可降解的。

最近，印度总理宣称，到 2022 年，印度将不再使用一次性塑料制品，而一次性塑料制品占日常使用的塑料制品的五分之一，因此这项举措在印度将具有重要意义。

不过，近日，印度北方邦大诺伊达地区 ShivNadar 大学的 Richa Priyadarshini 团队从大诺伊达地区的湿地中发现了两种“可食用塑料”的细菌，这一进展可能为解决塑料污染危机提供一种环保的替代方法。

该团队分离得到的两种细菌分别是 Exiguobacterium sibiricum 菌株 DR11 和 Exiguobacterium undae 菌株 DR14，研究表明，它们具有分解聚苯乙烯的潜力。

Priyadarshini 说：“我们的数据表明了一个事实，即极端微生物细菌 Exiguobacterium 能够降解聚苯乙烯，并可进一步用于减轻塑料造成的环境污染。”

Priyadarshini 还表示：“湿地是微生物多样性最丰富的栖息地之一，但相对来说还没有被开发。因此，这些生态系统是分离具有新型生物技术应用细菌的理想场所。”

聚苯乙烯具有高分子量和长链的聚合物结构，且有良好的抗降解性能。根据发表在《皇家化学学会进展》（RSC）杂志上的研究，这正是它们在环境中持续存在的原因。

研究小组发现，当这两种分离的细菌接触到塑料（聚苯乙烯）时，会将其作为碳源，并用以制造生物膜。这改变了聚苯乙烯的物理性质，启动了一个自然降解的过程，然后，细菌能够通过释放水解酶来破坏聚合物链。

目前，该团队正试图评估这些菌株的代谢过程，以便在环境生物修复中加以利用。

Shiv Nadar 大学副校长 Rupamanjari Ghosh 说：“我们在校园湿地进行科学探索，无意间发现‘可食用塑料’的细菌。而这是一个相对理想的解决方案，打破塑料的自然降解而进行生物降解。”

Priyadarshini 补充说：“我们一开始只是探索该地区，以了解这些地区的细菌种类，但最终分离出许多具有独特用处的细菌种类。”

她指出，随着具有塑料生物降解能力的新菌种被发现，新的酶和潜在的代谢途径可能也会被发现，这将有助于未来的生物修复。

研究人员指出，这两种细菌都能在聚苯乙烯表面建立生物膜。生物膜是细菌细胞的集合，聚集成群落的形式，以达到非常高的细胞密度，而这导致了聚合物降解酶能发挥更强的作用。

Priyadarshini 说：“聚苯乙烯很难降解，在生物降解之前，需要进行某种形式的预处理，如化学、热、光氧化等。”

而 DR11 和 DR14 菌株不仅能够在未经处理的聚苯乙烯上形成生物膜，而且还能够降解未经改性的塑料。

Priyadarshini 还表示：“近年来，人类对塑料制品的依赖大大增加，这导致了环境中的塑料大量积累，对生态系统产生了不利影响。因此，人类需要可持续的塑料降解方法。“

除了想办法降解塑料以外，还有很多人在寻找能够替代塑料且可降解的新材料。

从左往右依次是：Mango Materials 公司的 Anne Schauer-Gimenez 、Allison Pieja and Molly Morse  ，他们旁边是旧金山湾附近污水处理厂的生物高聚物发酵罐，这个发酵罐为细菌提供它们生产生物塑料所需的甲烷。图片来源：Chris Joyce/NPR

替代塑料的生物聚合物

一家硅谷的创业公司正在尝试把塑料从衣服中提取出来，然后加入其它东西，即替代塑料且可降解的生物聚合物。

聚合物是由许多相同单位组成的长链分子，这类物质往往比较耐用，且具有弹性，塑料就是由石油产品制成的聚合物。不过，在自然界中经常出现的是如木材中的纤维素或蚕的蚕丝这样的生物聚合物，它们与塑料不同之处是可以被分解成天然物质。

Molly Morse 希望制造出能取代某些塑料的生物聚合物。她经营着一家名为 Mango Materials 的小公司，芒果是她最喜欢的水果，她希望她公司的名字听起来与旧金山湾区的其它科技企业不同。

Morse 说：“我们不是典型的硅谷创业公司，我们正在一家废水处理厂生产聚合物，我们不是一群在车库里编码的人。”

那么，她是如何在污水处理厂生产生物塑料的呢?

Morse 说这始于她上小学。她去了一个水族馆，无意中发现了一个展览，是关于漂浮在海洋中的塑料垃圾的模拟展。

她回忆道：“那里有一个超级巨大且像鱼缸一样的结构，里面全是蛤壳，就像麦当劳的泡沫塑料一样。我大吃一惊，完全吓坏了。这个展改变了我的生活，我觉得这太荒谬了，我要改变它。”

于是，Morse 一直追随着自己的梦想，拿到了斯坦福大学环境工程博士学位。在 2006 年的一次科学会议上，她遇到了另一位年轻的工程师Anne Schauer-Gimenez。Schauer-Gimenez 说：“我想我们大概凌晨 4 点左右才开始讨论如何进行这个过程。”

而这个过程就是利用细菌来制造生物聚合物。

有些细菌能够以甲烷为食，制造自己的生物聚合物，特别是如果你喂得好，它们就会产生并累积更多的生物聚合物。Morse 解释说：“如果我们因为吃了太多的冰淇淋或巧克力而发胖，那么我们体内的脂肪就会堆积起来，这些细菌也是一样的。”

为了制造生物聚合物，细菌需要大量的食物。这就是为什么 Mango Materials 公司在旧金山湾附近的加州雷德伍德市一个叫做硅谷净水的污水处理厂建立了一个场地。该公司得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）等机构的资助。

污水里的杂质或者至少是污水排放的甲烷气体是细菌的食物。处理厂通常将甲烷燃烧掉或者直接排放到空气中。甲烷是一种强有力的温室气体，当它被排放入大气时，会引起全球气候变暖。而 Mango Materials 把它喂给细菌。

这个过程是在一个发酵罐里完成的，这个发酵罐紧挨着一个装满污水的大钢罐。Mango 公司的工程师 Allison Pieja 展示了他们的发明：它看起来有点像一个大啤酒桶，里面插着管子，就像静脉点滴一样。她说：“这就是奇迹发生的地方。”

Mango 公司的微生物专家 Allison Pieja 说：“我们不断地向发酵罐里添加甲烷和氧气，并根据细菌的生长方式向发酵罐里滴入我们的‘秘酱汁’。”

“秘酱汁”是该团队开发的一种添加剂，用于维持这一过程。

最终，当细菌被养肥后，研究小组将发酵罐打开来获取生物高聚物。他们把它弄干，然后把它变成小球。

到目前为止，他们已经向有兴趣的公司运送了近 2000 磅的生物聚合物了。他们的主要目标市场是纺织品，尽管他们说生物聚合物也可以用于包装。

利用这些生物聚合物可以生产出颜色鲜艳的丝线，视觉上和手感都像“塑料”，就像聚酯纤维一样。人们希望将这种生物聚合物织入服装中，以取代纺织品中的塑料。

由生物聚合物制成的衣服袖子。Mango 团队正在与几家公司合作，以测试他们的生物聚合物在纺织品上的效果。图片来源：Chris Joyce/NPR

生物聚合物的缺点

Schauer-Gimenez 说这样的衣服将是可降解的，这吓坏了人们：“‘哦，我的天哪，你打算用你的材料做一件泳衣？我要去海洋，它会生物降解我的身体!’我说，‘不，不，不是那样的。’”

想要降解，生物聚合物需要合适的温度和相应的细菌来消化，而且这个降解的过程需要几周或几个月的持续暴露。Morse 承认，如果条件不合适，比如在干燥的亚利桑那州沙漠或海底，将需要更长的时间。

这是迄今为止生物聚合物的一个缺点，有些生物降解的速度并没有达到他们承诺的那样。

南卡罗莱纳城堡大学的生物学教授约翰·温斯坦将用玉米聚合物制成的袋子放在在湿地中，他发现它们的降解速度比普通塑料袋还要慢。他谈到生物塑料时说：“你创造了一种新材料，但它是如何分解的呢？我很惊讶。”

密歇根州立大学的化学工程师兼生物塑料专家 Ramani Narayan 说：“这一切都与环境条件有关。生物降解的时间越长，垃圾存在的时间就越长。在这期间，它将对环境产生严重的负面影响，这是需要仔细考虑的问题。”

Mango Materials 的团队表示，他们的材料是一种聚羟基烷酸酯或 PHA 的形式的生物聚合物，与大多数生物聚合物不同，不需要回收，在合适的条件下，一两个月后就可以完成生物降解。他们的产品目前正在进行独立测试以证实这一点。

Morse 承认，要为生物聚合物铺平道路，还有很多工作要做。她敦促人们少用塑料，重复利用物品，而不是把它们扔掉。但她正在追寻儿时的梦想——找到比塑料更好的东西。

她说：“除非我们确信这是解决一个巨大的全球性问题的办法，否则我们不会这么做。”

塑料污染：如何解决？

目前来看，塑料在我们的生活中仍然必不可少，但是由于它降解速度慢，导致了一系列环境污染。而要解决这一问题首先需要我们在生活中能够对塑料进行废物回收利用。

其次随着科技的发展，人们可能会从自然界的微生物中寻找到可以降解塑料的办法来减少污染或者生产新的生物材料来代替塑料。

不管是哪一种方式，重要的是能够有利于环境和人类的发展。

参考资料：

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1.https://www.motherearthliving.com/health-and-wellness/harmful-effects-of-plastic-ze0z1205zsch2.https://www.plasticseurope.org/en/about-plastics/what-are-plastics3.https://www.theweek.in/news/sci-tech/2019/10/11/Bacteria-capable-of-eating-plastic-discovered-by-Indian-scientists.html4.https://www.npr.org/2019/06/17/728599455/replacing-plastic-can-bacteria-help-us-break-the-habit5.https://phys.org/news/2020-03-plastic-bags-bottles-microplastics.html

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作者｜崔心伟

审校 | 617

编辑｜崔心伟