细菌酶可以消化一些塑料垃圾，科学家们希望利用它们进行回收利用。Muhammad Reza Cordova正在印度尼西亚加达周围的海滩、珊瑚礁和红树林中寻找水瓶和塑料袋和塑料泡沫杯中的宝藏。在一些垃圾覆盖的富含微生物的黏液中，他希望找到生物体来帮助解决如何处理地球上泛滥的塑料这一棘手问题。
Cordova是一名海洋生物学家，他收集黏液样本并将它们带回他在印度尼西亚海洋学研究中心的实验室，在那里他计划培养微生物并只给它们喂塑料，看看什么能否茁壮成长。“我们希望能找到最有效的微生物来吞噬或者降解塑料，”他说。
世界各地的研究⼈员都在进⾏着同样的探索。他们正在⻩⽯国家公园的灼热温泉、太平洋的偏远岛屿海滩以及⽇本的塑料回收⼯⼚等地寻找咀嚼塑料的微⽣物。⼀些科学家已经发现了能够利⽤酶分解⽤于制造⽔瓶和⾐服的普通塑料的细菌。
科学家们认为微⽣物的酶——加速化学反应的蛋⽩质——可能有助于回收某些种类的塑料，这些塑料⼤部分被掩埋在垃圾填埋场、燃烧或冲⼊河流和海洋。虽然⼯业化学品可以分解塑料，但使用酶可能是⼀种更环保的⽅法，需要更少的能量，也可以针对与垃圾混合的特定塑料。英国朴茨茅斯⼤学的结构⽣物学家约翰⻨吉汉说：“⼤⾃然是最神奇的回收者，因为它不浪费任何东西。”他领导了科尔多瓦参与的寻找酶的项目。
法国的⼀家公司已经在建造⼀个示范⼯厂，该⼯厂将使用酶将塑料垃圾转化为新瓶⼦的原材料。然⽽，进⼀步扩⼤规模意味着需要克服许多挑战。寻找酶只是第⼀步。从实验室转移到回收⼯⼚需要克服技术和经济障碍，在这个利润微薄的⾏业中，新塑料⽐回收更便宜。最重要的是，微⽣物在很⼤程度上无法侵蚀⼀些最普遍的塑料。
加州⼤学化学⼯程师苏珊娜斯科特说：“想想我们⽣产塑料的庞⼤规模和这些塑料的低价值。”SantaBarbara 正在实验室开发合成新型⾦属催化剂，用以回收塑料。“要求生物学做到这一点是一项艰巨的任务。”
塑料在很多⽅⾯都是回收商的噩梦。塑料经久耐⽤，包含几十种不同的分⼦，由⻓链碳原⼦组成。这些分⼦都抵抗分裂，每个分⼦都有不同的化学性质，必须以不同的⽅式处理。通常，单个物品—例如薯⽚袋—是令⼈抓狂的多种塑料融合体，混淆了轻松提取纯物质以开发新产品的⽬标。
用一种酶来分解塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯，48小时后，它失去了近98%的质量（右）
⽬前有⼀⼩部分塑料被回收利⽤，主要是通过挑选出可⽤的塑料类型，将它们熔化，然后将它们再次固化成颗粒，然后再转化为较低等级的塑料，例如袋⼦和⼈造⽊材。根据《Science Advances》2017年的⼀项研究，2014年只有19%的塑料被回收利⽤。与此同时，预计到 2050年塑料产量将增⻓70%，达到每年近6亿吨。
确实进⼊回收箱的塑料会遇到各种不同的命运。虽然有些被重复使⽤，但⼤部分被焚烧、掩埋在垃圾填埋场或倾倒在环境中。直到最近，在美国收集的塑料中有⼀半以上被运往海外；根据 2020年ScienceAdvances 研究的估计，在运输的材料中，多达四分之⼀被污染严重⽽⽆法回收。2018年，中国停⽌接收⼤部分进⼝塑料垃圾，美国回收商报告称将不需要的塑料包送到垃圾填埋场。“我们不能继续购买越来越多的塑料，把它放进蓝⾊垃圾箱，然后感觉这样就好了，”⻢萨诸塞州伍兹霍尔海洋教育协会的海洋学家 KaraLavender Law说，他⼀直致⼒于测量全球塑料污染。酶是⼀种有吸引⼒的解决⽅案，与许多工业化学物质不同，酶在相对较低的温度下工作，并且它们与哪个分子相互作用有选择性—使酶能够在聚合物的混合物中针对单个塑料进行作用。2016年，⽇本研究⼈员在分析塑料回收⼯⼚附近的泥浆后发现了⼀种对塑料有异常胃⼝的细菌后，科学家们开始认真寻找此类酶。这种生物产生了两种酶，通过将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)分解成其组成部分，使其能够以聚对苯二甲酸和乙二醇为食。PET 存在于一次性饮料瓶和聚酯服装的纤维中，约占全球塑料产量的五分之⼀。如今，织物很难回收利⽤，因为它经常与其他材料混合。尽管PET瓶更简单， 但 2018 年美国只有29%的PET瓶被回收。
在看到这⼀发现之前，McGeehan⼀直在研究⽣物体如何利⽤酶来分解坚韧的植物纤维。现在，他将目光转向塑料，开始寻找其他能针对聚合物的酶。他继续在世界上⼀些塑料污染热点地区招募酶科学家，认为所有的塑料垃圾都可能导致攻击塑料垃圾的微⽣物进化。印尼是他关注的一个地方，在一项关于海洋污染塑料来源的研究中，印尼排名第二，仅次于中国。
在印度尼⻄亚，除了从塑料垃圾中收集细菌外，科尔多瓦还计划深⼊研究红树林根部的淤泥。最初以坚韧的红树林叶⼦为⻝的微⽣物需要⼏⼗年的时间才能进化出分解附着在根部的塑料袋的能⼒。他还将在雅加达湾悬挂各种塑料的⼩标签，看看是否有任何微⽣物开始以它们为⻝。
科尔多瓦发现的任何有希望的微生物候选者都将被运往McGeehan的实验室。他的团队将有希望的酶结晶，然后使用x射线晶体学来观察它们的结构，破译它们如何与聚合物结合，并帮助打破它们的化学连接。这项工作已经对哪种酶的形状最有希望产生了深刻的见解。例如，破坏PET的酶在其表⾯有⼀个⾕，塑料分⼦嵌⼊其中。在那⾥，三个独特的氨基酸攻击连接聚合物单元的分子键。
利用这些信息，McGeehan和其他人正在搜索细菌基因组数据库，寻找编码类似分子的DNA序列，这是潜在的塑料裂解酶的信号。然后，他实验室的研究⼈员使⽤计算机来模拟如何⼈为改进蛋⽩质。⽬标是修改编码天然酶的基因，使它们成为强⼤的塑料破坏⼯具。该团队已经改变了⽇本研究⼈员发现的酶，使其更有效。“我们并不是在从自然界中寻找超酶。这几乎不太可能发生了。”我们只是在寻找能让塑料发痒的酶。
科学家们正在用工程酶来回收塑料。这些改良版的天然蛋白质在相对低的温度下工作，针对混合物中的特定塑料，并产生纯单体，然后形成新的塑料。
他的团队并不是唯一一个寻找酶的。一个由欧洲和中国实验室组成的联盟也在努力寻找和培养一种细菌，这种细菌的酶可以分解塑料，以及其他可以将分解产物转化为有价值的化学物质的酶。一群来自德国、法国和爱尔兰的研究人员，包括该联盟的成员，使用在堆肥堆中发现的改良酶回收了PET，这种酶分解了树叶上的蜡质层。随后，一个实验室进化出的细菌用这些原材料制造出两种新型塑料
美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）的化学工程师格雷格·贝克汉姆说，如果这些任务成功了，一些塑料可能会通过用酶清洗来回收利用，就像基于酶的洗涤剂分解脏衣服上的食物污渍一样。Beckham领导了$3200万能源部的倡议，开发新的塑料再循环方法，并与麦吉汉合作寻找酶。5月底，NREL的科学家们聚集在一起测试一种方案，在该方案中，酶将帮助士兵把塑料垃圾变成战场必需品的建筑材料。
他们的设想是“一个盒子……在那里他们可以放入塑料和其他类型的废物，比如纸。”Beckham在谈到这个由国防高级研究计划局（DARPA）赞助的项目时说。与DARPA的许多项目一样，这项研究距离实际部署还有很长的路要走。科罗拉多州戈尔登市NREL实验室的科学家们将 PET 塑料⽚切成⼩⽅块。这些方块被浸泡在温水、盐和堆肥中发现的一种叶子消化酶中，法国研究人员对这种酶进行了改造，使其与塑料结合更紧密，并能承受更高的温度。
当科罗拉多州的研究⼈员在 24 ⼩时后返回时，84% 的塑料已经溶解——这表明酶已经将塑料分解成更⼩的分⼦。Beckham的⽬标是在1个⽉内分解5公⽄塑料中的95%。
开发这种酶的法国公司Carbios计划建造世界上第⼀家以酶为燃料的塑料回收⼯⼚。这项⼯作将从克莱蒙费朗市的⼀个⼩型示范⼯⼚开始，以测试这种酶将塑料垃圾转化为新型PET塑料原料的能⼒。该公司将在2024年开设⼀家全规模的⼯⼚，⽬标是每年⽣产4万吨再⽣塑料的原料。
此类酶可能不会打破回收僵局。它们在由碳原⼦和氧原⼦连接⽽成的塑料上效果最佳。这种被称为聚酯的聚合物也存在于植物纤维中，细菌已经进化了数百万年。
相比之下，直接连接碳原子的塑料更坚硬。它们占塑料制品的一半以上，包括无处不在的购物袋中的聚乙烯，以及构成令人眼花缭乱的一系列产品的聚丙烯，从糖浆瓶到汽车仪表盘，应有尽有。
PET由C-O键结合在一起，与C-C键相比，在化学反应中断键所需的能量更少。C-C键存在于聚乙烯和聚丙烯中，更难断裂。
近年来，科学家们报道了可以以此类塑料为⻝的⽣物，包括蜡蛾的幼⾍。但Beckham和其他⼈怀疑这些⽣物的化学天赋能否转化为聚⼄烯或聚丙烯的实际回收利⽤。
酶是很挑剔的，在高温下无法在许多塑料中产生化学反应。斯科特说，酶的作⽤也往往⽐⼯业化学品慢，因此效率低下。威斯康星⼤学 (UW) ⻨迪逊分校的化学⼯程师GeorgeHuber说：“你总是会回到技术经济分析中，”他领导了⼀个由美国能源部资助的关于将塑料回收成⾼价值产品的研究项⽬。“经济主宰⼀切。”所有酶促回收⽅法都是如此。⼤多数塑料的原材料——天然⽓和⽯油——相对便宜。直到 2014 年担任⾸席技术官的化学⼯程师威廉班霍尔泽说，即使回收材料便宜到⾜以与新材料竞争，它也必须整合到庞⼤的制造基础设施中，并满⾜购买塑料的公司的严格要求。陶⽒是世界上最⼤的塑料制造商之⼀。现在在UW的班霍尔泽说：“事实是，回收仍然太昂贵，⽽且产品更糟糕”。
在公众对塑料污染的强烈抗议之际，主要的化工公司正在投资于塑料回收的新形式。但这些⽅法在很⼤程度上依赖于⼯业化学品。今年1月，两家大型石化公司——伊士曼化学公司(EastmanChemical Company)和沙特阿拉伯基础工业公司(SABIC)——都宣布了建造工厂的计划，利用化学处理将塑料垃圾转化为材料，帮助制造新塑料。沙特阿拉伯基础工业公司是石油和天然气巨头沙特阿美(Saudi Aramco)的子公司。
SABIC的⾸席技术和可持续发展官Bob Maughon表示，酶促反应对于塑料回收来说速度太慢。⽬前，他说：“我认为酶促是不现实的。”但 Carbios 的⽣物学家兼⾸席技术官 Alain Marty 表示，他相信他的公司基于酶的⽅法可以⾜够快地消化 PET， 从⽽在市场上找到⼀席之地。他说，虽然第一家工厂可能无法在价格上与不可回收的原材料竞争，但企业将为可出售给有环保意识的消费者的可回收塑料支付溢价。这是另⼀种产品，需求量很⼤。”
尽管Beckham对酶的兴奋，但他说他不知道酶是否会胜过其他的回收方法。他负责的能源部项⽬也在研究使⽤热、光和电来分解塑料。⽆论采⽤何种⽅法，他只是想看到更多的塑料进入他的回收箱，并真正被回收。“贝克汉姆说,“就是我们的回收箱变多了，变大了。”
每年生产的数以百万计的塑料包括一系列为不同功能而调整的材料。回收过程因塑料的特性而异，所以混合的塑料通常不能一起回收。但是酶可能能够选择性地分解混合在一起的单一塑料
原文来源：Cornwall, Warren. "The plastic eaters." 2021:36-39.
