从生物降解到新型工业原料，合成生物学技术如何改变塑料的一生？

　　近日，德克萨斯农工大学和俄克拉何马大学的研究小组称，将建立一个高效的塑料废物生物降解战略，并获得美国国家科学基金会的研究和创新新兴前沿项目提供的 200 万美元拨款。
　　塑料污染已成为一个全球性的威胁，影响到所有生态系统，从寒冷的两极地区，到无人居住的环礁甚至深海盆地。
　　PlasticsEurope 网站 2020 年发布的数据显示，全球塑料生产规模在过去六年中增长了 21%，2019 年达到 3.68 亿吨 [5]。
　　当前对塑料废弃物的处理方式主要有 3 种：填埋、焚烧或回收处理。以我国 2019 年中国废塑料处理情况为例，填埋、焚烧、回收的垃圾各占约 30%，还有 7% 的垃圾被遗弃 [2]。
　　图丨 2019 年中国废塑料处理情况（来源：中国再生塑料行业发展报告 2019—2020）
　　填埋的垃圾需要很长的时间才能降解，甚至无法降解，形成的微塑料颗粒会进入陆地和海洋，并随着食物链的富集，最终进入人体，对人的健康造成影响。焚烧塑料会产生各类有害气体，更加危害人体健康。
　　回收的方式目前还存在着对原料要求高、工艺复杂、耗能高、利用率低、经济性差以及严重的二次污染等问题。
　　好消息是自然界中存在天然的微生物，能够降解塑料，其过程对环境友好，但是十分缓慢。基因编辑技术和合成生物学技术的出现，加速了通过微生物或生物酶降解塑料的研究，而利用工程微生物生产可降解塑料也是一大流行趋势。
　　微生物降解塑料
　　在塑料出现之前，自然界可能并不存在能够降解塑料的微生物，而得益于自然演化，一些微生物进化出了降解塑料的酶，这些微生物或者酶被科学家发现，成为了生物法降解塑料的关键。
　　生物降解指通过微生物作用将底物分解转化，由需氧微生物完全转化为二氧化碳、水、矿物质和生物质，或者在厌氧性生物作用下转化为二氧化碳、甲烷和腐殖质，不会留下任何潜在有害物质 [3]。
　　具体来说，当微生物附着在塑料表面后，会分泌生物酶等物质分解塑料，高分子聚合物转变为低聚物、二聚体或者单体，这些分子进入到微生物细胞内，在细胞代谢作用下分解为为二氧化碳、氮气、甲烷和水等小分子化合物。
　　图丨典型塑料的生物降解及其降解机理（研究论文：典型塑料的生物降解及其降解机理）
　　目前针对市场上的大量常用的塑料种类，聚对苯二甲酸乙二醇酯 (Polyethylene glycol terephthalate，PET)、 聚乙烯 (Polyethylene，PE)、聚氯乙烯 (Polyvinyl chloride， PVC)、聚丙烯 (Polypropylene，PP)、 聚 苯 乙 烯 (Polystyrene ，PS) 和 聚 氨 酯 (Polyurethane， PUR) 等 6 种 ， 科学家都找出了可将其一一降解的微生物  [4]。
　　图丨降解塑料的细菌（来源：微生物降解塑料的研究进展）
　　也有学者提出，单一的降解微生物 / 酶往往难以实现有效降解，为减轻单一微生物的代谢压力，可以将降解过程分成多个不同的过程来完成，即混合塑料解聚多酶 / 混菌体系，可用于结构复杂的塑料（例如 PU）或者混合塑料的降解 [1]。
　　而德克萨斯农工大学和俄克拉荷马大学的研究人员 计划使用微生物、真菌和细菌作为一个 ＂联合体＂ 来降解塑料，模仿微生物如何共同分解自然界中的复杂材料，处理混合塑料垃圾。
　　后续他们还计划利用合成生物学技术来设计微生物，以微生物降解产物作为原料生产高价值的产品。
　　塑料的再利用
　　利用微生物回收利用塑料也是合成生物学的一个重点研究领域，即利用微生物 / 酶将塑料降解的寡聚体或单体重新转化为塑料或其他高值产品，具有反应条件温和、不产生二次污染等优点，是一种废塑料污染治理与资源化的新途径 [1]。
　　例如法国酶工程公司 Carbios，10 年来一直专注于对塑料的回收、解聚、纯化、再聚合，力图实现塑料的循环利用。
　　其科学团队从 10 万种微生物中筛选出了一种微生物，利用合成生物学技术改造后，获得了一种高效的 PET 水解酶。 该酶可在 16 小时内分解 97% 的任何种类的 PET 塑料，比迄今为止任何生物塑料回收试验的效率都高出 1 万倍。
　　这种酶还可以处理有色 PET 塑料， 对于传统机械回收的方法来说，要想制造透明瓶子就需要以废旧的透明瓶子为原料，而 Carbios 的酶可以以任何颜色和种类的 PET 为原料，制造透明的 PET 产品。
　　2020 年，Carbios 公司宣布将在法国化学谷建设 PET 塑料酶法回收的工业示范工程，建立从 PET 废弃物降解到单体利用的完整工业链，预计年利用能力在 5 万吨到 10 万吨之间 [1]。
　　而以塑料为原料不仅仅只能产生塑料，美国伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校生物工程教授 Ting Lu，和美国密西根理工大学生命科学教授 Stephen Techtmann ， 利用微生物和化学物质分解塑料废物，从得到的降解产品中提取蛋白质，再将其转化成食物。
　　Ting Lu 在此前接收生辉采访时表示，塑料和食品在外观上是两种截然不同的材料，但从化学角度来看，两者都是由碳、氧、氢等不同化学元素的混合物，例如 PET 化学式为（C10H8O4）n，淀粉化学式为（C6H10O5）n。
　　两人也因这项研究共同获得了 2021 年 ＂未来洞察奖＂。
　　而科学家的下一个目标是 将混合塑料废物作为工业生物技术的标准第二代原料， 由中欧科学家团队联合参与的欧盟 ＂地平线 2020＂ 项目 ＂MIX-UP＂ ，旨在利用混菌或多酶体系，将未分类的混合塑料废物转化为具有附加值的可持续生物材料，展示塑料生命周期循环的新方法。
　　图丨逐渐采用可降解塑料（来源：Environmental Sciences Europe ）
　　如果这一项目能够成功，有助于解决现代工业生物技术中普遍存在的食品与燃料的冲突问题。
　　通过将混合培养物的代谢工程、强化蛋白质工程和生物工艺优化相结合，MIX-UP 将在材料、化学品和环境技术等可持续型生物经济框架内形成新的价值链，这最终将有利于经济、环境和整个社会 [5]。
　　我国 ＂十三五＂ 科技计划也高度重视塑料生物降解与转化利用研究，上述 MIX-UP 项目也得到了我国国家自然科学基金的资助。
　　我国科技部发布的国家重点研发计划 ＂绿色生物制造＂ 重点专项 2021 年度项目申报指南（征求意见稿）示范 6 个任务中，第五个任务即＂未来生物制造技术路线及创新产品研发＂ ，对塑料生物解聚关键技术也进行了布局，旨在开发相关生物解聚整套工艺技术，推进工业应用示范。
　　自 1907 年诞生以来，塑料给人们的生活带来了极大便利，但也产生了种种危害，从人工合成的高分子聚合物，到 ＂白色垃圾＂，塑料依旧是塑料。而技术本无对错，期待更新的技术将塑料 ＂变废为宝＂、＂解塑再用＂，重新创造更高的经济价值。
　　参考资料：
　　1、钱秀娟，刘嘉唯，薛瑞，刘豪杰，闻小红，杨璐，徐安明，许斌，信丰学，周杰，董维亮，姜岷。合成生物学助力废弃塑料资源生物解聚与升级再造［J］. 合成生物学，2021，2（2）：161-180
　　2、中国物资再生协会再生塑料分会。中国再生塑料行业发展报告 2019—2020 [R]
　　3、李昕玥，刘卓苗，薛润泽，等。典型塑料的生物降解及其降解机理。科学通报，2021, 66: 2573–2589
　　4、刘彤瑶，辛艺，刘杏忠，等。微生物降解塑料的研究进展。生物工程学报，2021, 37 (8): 2688-2702
　　5、https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8380104/
　　6、https://today.tamu.edu/2021/09/24/2-million-nsf-grant-to-fund-research-on-plastic-waste/