“吃”碎片的海洋微生物——當(dāng)真菌與塑料邂逅，會(huì)發(fā)生什么？

出品 | 科普中國

作者 | 劉瑞、費(fèi)凡（中國科學(xué)院海洋研究所）

監(jiān)制 | 中國科普博覽

編輯 | 田薇

如果轉(zhuǎn)身看看自己周圍，你有可能找出不含塑料的物品嗎？在日常生活中，我們離不開塑料——小到購物袋、塑料瓶，大到汽車、家居裝修，還有手機(jī)、電腦的生產(chǎn)也需要塑料的參與。大規(guī)模的塑料生產(chǎn)給人們帶來了便利，卻也給自然帶來了難題——普通塑料降解需要幾十年甚至上百年，按生產(chǎn)速率與降解速率來看，不久之后地球會(huì)成為巨大的塑料垃圾場。

各式各樣的塑料丨圖片來源：Veer圖庫

所以如何更快更好降解塑料，成為科學(xué)家們亟待解決的問題。2021年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)能有效降解塑料垃圾的海洋微生物菌群；現(xiàn)在，他們再次發(fā)現(xiàn)并培養(yǎng)出“升級版”海洋微生物，不僅能有效降解多種類型塑料，而且降解速率更快，兩周內(nèi)即可將一些塑料降解為碎片。

這到底是什么神奇的微生物？如此堅(jiān)固的塑料，他們是如何啃碎再消化的？有了它們，是不是說明人類就可以放心大膽地使用塑料了呢？

孫超岷團(tuán)隊(duì)成員正在研究“吃”碎片的海洋微生物丨圖片來源：中國科學(xué)院海洋研究所

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塑料污染已成為流行病

知己知彼，百戰(zhàn)不殆。在了解如何降解塑料之前，我們需要清楚塑料到底是什么。塑料是一類性能優(yōu)異的人工合成的高分子聚合物，其合成原料除近幾年逐漸興起的可再生材料和礦物鹽外，主要為石油，即石油基塑料。每年，全球可生產(chǎn)約3.5-4億噸合成塑料，主要的經(jīng)濟(jì)品種包括聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚氨酯等。

像許多發(fā)明一樣，塑料本身并不是“壞物質(zhì)”，但由于與巨大產(chǎn)量相對應(yīng)的處置措施匱乏，塑料廢棄物在環(huán)境中不受控制地傳播，已成為全球性污染問題。來自陸地的一些塑料制品甚至被裹挾至海洋，對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重破壞。

聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，世界塑料產(chǎn)量從1950年的200萬噸飆升至2017年的3.48億噸，預(yù)計(jì)到2040 年產(chǎn)能將翻一番。每年約有1100萬噸塑料垃圾流入海洋。到2040年，這一數(shù)字可能會(huì)增加兩倍。塑料生產(chǎn)和污染正對地球這個(gè)人類賴以生存的星球在氣候變化、自然損失和污染方面造成“三重危機(jī)”并引發(fā)一場災(zāi)難。大量塑料生產(chǎn)和廢棄正對氣候變化、自然損失和污染方面造成“三重危機(jī)”。

堆積塑料垃圾的土地 丨圖片來源：pixabay圖庫

為了應(yīng)對和解決這一困擾人類社會(huì)多年污染問題，科學(xué)家們將眼光放在了種類繁多的微生物上。這些“不起眼”的生物類群遍布地球各式各樣的生態(tài)環(huán)境之中，具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力和多樣的功能特征。

由此，在塑料垃圾存在較多、持續(xù)時(shí)間較久的場所和環(huán)境中，是否可能存在能夠利用塑料、“吃掉”塑料的微生物存在呢？基于這一猜想，研究人員從人類活動(dòng)頻繁的海灘潮間帶采集了數(shù)百份材料各異的塑料垃圾樣品，通過廣譜篩查，終于成功分理出一株能有效定殖和降解聚乙烯塑料的海洋真菌。

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當(dāng)真菌與塑料邂逅，會(huì)發(fā)生什么？

當(dāng)這株真菌與塑料膜片共同孵育的時(shí)候，真菌的菌絲將緊緊黏附于塑料表面。這其實(shí)解決了塑料降解的一大難題——塑料表面疏水性強(qiáng)，一般微生物難以吸附。

這里的疏水性可以簡單理解成材料表面被水潤濕的能力，如果我們同時(shí)將一張紙和一片塑料浸入水中，紙張輕而易舉地被水潤濕，表面留存了大量水分子，但塑料卻幾乎是滴水不沾。正因?yàn)槿绱耍谒芰媳砻骐y以停留，所以普通的微生物也很難在此駐足，海浪一沖刷他們就搬家。

而這株真菌的不同之處在于——它具有分泌疏水蛋白的能力，并在疏水/親水界面形成兩親性膜，增大了同塑料的接觸面積，在第一步就跑贏了其他微生物！

聚合物的生物降解過程丨圖片來源：Magnin A, Pollet E, Phalip V, et al. Evaluation of biological degradation of polyurethanes [J]. Biotechnology Advances, 2020, 39

在吸附之后，真菌發(fā)達(dá)的菌絲結(jié)構(gòu)可以分泌多種胞外酶并作用于塑料。就如唾液中的唾液淀粉酶可以水解大米中的長鏈淀粉，使其變小從而更容易被人體吸收，微生物也能夠合成自己的酶系統(tǒng)，來逐步降解位于微生物體之外的大分子物質(zhì)，打斷它們的長鏈結(jié)構(gòu)，使這些物質(zhì)的分子變小，而后開始“美美飽餐一頓”。

塑料也是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的長鏈的大分子，而這株真菌又恰好能夠分泌打斷這些大分子的酶，實(shí)現(xiàn)了塑料降解的重要一步，退化和解聚。

除了真菌本身的特性外，與塑料堆的朝夕相處也使其進(jìn)化出，或被篩選出了能夠分解和利用塑料的能力，從而逐漸演化出一些能有效降解塑料的類群。

對于很多微生物而言，如果給它吃面包、米飯，他們會(huì)活得很好，但如果它們沒有那么好的生存環(huán)境，比如長期生活在塑料垃圾周圍的微生物，為了生存，它們就會(huì)慢慢“進(jìn)化”，通過分泌酶類“吃”塑料，獲得額外的能量來源。這也體現(xiàn)出微生物和環(huán)境相互影響、相互作用、相互適應(yīng)的特征。

在與真菌共同孵育處理后，聚乙烯塑料表面產(chǎn)生了明顯的皺縮和裂痕，掃描電子顯微鏡的觀察結(jié)果顯示，塑料的微觀表面出現(xiàn)密集的孔洞，說明黏附于塑料的菌絲已穿透塑料表面，發(fā)揮了降解效果。

真菌對聚乙烯塑料的定殖和降解情況丨圖片來源：中國科學(xué)院海洋研究所

掃描電子顯微鏡觀察真菌對聚乙烯塑料的降解情況丨圖片來源：中國科學(xué)院海洋研究所

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該真菌展現(xiàn)出廣譜性的降解能力

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這株真菌的能力不僅限于此，它似乎對更多的塑料底物具有降解作用，譬如聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等。

其中，聚氨酯塑料被廣泛地運(yùn)用于電器制造、汽車、建筑、服裝等行業(yè)中，比如消音材料、保溫材料都存在著聚氨酯的身影。它的市場占有率也僅次于4種聚烯烴塑料。

自30年代問世以來，環(huán)境中積累了非常多的聚氨酯廢棄物垃圾。這株真菌則能夠以一種肉眼可見的速度劣化和降解聚氨酯產(chǎn)品。真菌處理2周后，聚氨酯膜片表面便可以出現(xiàn)裂隙。處理時(shí)間延長到5周后，膜片呈現(xiàn)明顯的碎片化，降解效果良好。

聚氨酯塑料膜片在4周內(nèi)被海洋真菌降解的情況丨圖片來源：中國科學(xué)院海洋研究所

既然面對普通塑料都能有較好的降解作用，那如果要處理的對象是可降解塑料，豈不是可以在原來基礎(chǔ)上提高降解效率，縮短降解周期呢？答案是肯定的。

當(dāng)這種可降解塑料與真菌孵育僅僅一周，表面就出現(xiàn)了明顯的裂紋，并且顏色發(fā)黃，這正是被氧化和侵蝕的表現(xiàn)；當(dāng)時(shí)間到達(dá)兩周，塑料表面被侵蝕的面積明顯加大，甚至出現(xiàn)了較大面積的孔洞；時(shí)間線拉長到三周之后，塑料殘余物已經(jīng)非常少，如果再等待一段時(shí)間，可降解塑料就會(huì)完全被真菌所代謝利用。

含有PBAT+PLA+St成分的可降解塑料袋在4周內(nèi)被海洋真菌降解的情況丨圖片來源：中國科學(xué)院海洋研究所

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推薦使用可降解塑料

與傳統(tǒng)的塑料制品在自然環(huán)境數(shù)百年的降解歷程相比，可降解塑料將時(shí)間進(jìn)程縮短到幾個(gè)月，是人類合成塑料歷史上的一大長足進(jìn)步。在這里推薦使用可降解塑料，并認(rèn)準(zhǔn)“可降解塑料”標(biāo)識。該標(biāo)識是由帶箭頭循環(huán)圈、雙“j”（降解拼音首字母）、材質(zhì)縮寫（如PBAT、PLA等）、國家標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品名稱組合而成的圖案。

“可降解塑料”標(biāo)識舉例丨圖片來源：國標(biāo)GB/T 41010-2021

與此對應(yīng)的國標(biāo)為GB/T 41010-2021并于2022年6月1日開始實(shí)施。符合該國標(biāo)認(rèn)證的產(chǎn)品通過了相應(yīng)的降解率、重金屬含量及降解產(chǎn)物的毒性實(shí)驗(yàn)，環(huán)境安全性高。

值得注意的是，生活中使用的可降解塑料并不能在簡單的風(fēng)吹日曬中完全降解，降解率也非常低，還是會(huì)污染環(huán)境，如果流入海洋被海龜?shù)壬锿淌?，極有可能堵塞消化道從而造成死亡。

通過使用可降解塑料，能讓我們實(shí)現(xiàn)便利生活的同時(shí)，也能夠保護(hù)環(huán)境。當(dāng)然，我們更應(yīng)該養(yǎng)成節(jié)制使用塑料制品的意識——比如出門自己攜帶購物袋，減少使用一次性用品，只要人人都可以在自己的生活中保持綠色好習(xí)慣，相信我們的環(huán)境將會(huì)迎來大不同。

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