世界海洋日丨塑料也能“吃”?这种海洋微生物的胃口真大

科普中国

2022-06-08 10:49北京中国科协科普中国官方平台
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出品:科普中国
作者:刘瑞、费凡 中国科学院海洋研究所

监制:中国科普博览

如果转身看看自己周围,你有可能找出不含塑料的物品吗?在日常生活中,我们离不开塑料——小到购物袋、塑料瓶,大到汽车、家居装修,还有手机、电脑的生产也需要塑料的参与。大规模的塑料生产给人们带来了便利,却也给自然带来了难题——普通塑料降解需要几十年甚至上百年,按生产速率与降解速率来看,不久之后地球会成为巨大的塑料垃圾场。

各式各样的塑料 图片来源:Veer图库

所以如何更快更好降解塑料,成为科学家们亟待解决的问题。2021年,科学家首次发现能有效降解塑料垃圾的海洋微生物菌群;现在,他们再次发现并培养出‘升级版’海洋微生物,不仅能有效降解多种类型塑料,而且降解速率更快,两周内即可将一些塑料降解为碎片。

这到底是什么神奇的微生物?如此坚固的塑料,他们是如何啃碎再消化的?有了它们,是不是说明人类就可以放心大胆地使用塑料了呢?

孙超岷团队成员正在研究“吃”碎片的海洋微生物

图片来源:中国科学院海洋研究所

一、塑料污染已成为流行病

知己知彼,百战不殆。在了解如何降解塑料之前,我们需要清楚塑料到底是什么。塑料是一类性能优异的人工合成的高分子聚合物,其合成原料除近几年逐渐兴起的可再生材料和矿物盐外,主要为石油,即石油基塑料。每年,全球可生产约3.5-4亿吨合成塑料,主要的经济品种包括聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚氨酯等。

像许多发明一样,塑料本身并不是“坏物质”,但由于与巨大产量相对应的处置措施匮乏,塑料废弃物在环境中不受控制地传播,已成为全球性污染问题。来自陆地的一些塑料制品甚至被裹挟至海洋,对海洋生态系统造成了严重破坏。

联合国环境规划署提供的统计数据显示,世界塑料产量从1950年的200万吨飙升至2017年的3.48亿吨,预计到2040 年产能将翻一番。每年约有1100万吨塑料垃圾流入海洋。到2040年,这一数字可能会增加两倍。塑料生产和污染正对地球这个人类赖以生存的星球在气候变化、自然损失和污染方面造成“三重危机”并引发一场灾难。大量塑料生产和废弃正对气候变化、自然损失和污染方面造成“三重危机”。

堆积塑料垃圾的土地 图片来源:pixabay图库

为了应对和解决这一困扰人类社会多年污染问题,科学家们将眼光放在了种类繁多的微生物上。这些“不起眼”的生物类群遍布地球各式各样的生态环境之中,具有极强的适应能力和多样的功能特征。

由此,在塑料垃圾存在较多、持续时间较久的场所和环境中,是否可能存在能够利用塑料、“吃掉”塑料的微生物存在呢?基于这一猜想,研究人员从人类活动频繁的海滩潮间带采集了数百份材料各异的塑料垃圾样品,通过广谱筛查,终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。

二、当真菌与塑料邂逅,会发生什么?

当这株真菌与塑料膜片共同孵育的时候,真菌的菌丝将紧紧黏附于塑料表面。这其实解决了塑料降解的一大难题——塑料表面疏水性强,一般微生物难以吸附。

这里的疏水性可以简单理解成材料表面被水润湿的能力,如果我们同时将一张纸和一片塑料浸入水中,纸张轻而易举地被水润湿,表面留存了大量水分子,但塑料却几乎是滴水不沾。正因为如此,水在塑料表面难以停留,所以普通的微生物也很难在此驻足,海浪一冲刷他们就搬家。

而这株真菌的不同之处在于——它具有分泌疏水蛋白的能力,并在疏水/亲水界面形成两亲性膜,增大了同塑料的接触面积,在第一步就跑赢了其他微生物!

聚合物的生物降解过程

图片来源:Magnin A, Pollet E, Phalip V, et al. Evaluation of biological degradation of polyurethanes [J]. Biotechnology Advances, 2020, 39

在吸附之后,真菌发达的菌丝结构可以分泌多种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长链淀粉,使其变小从而更容易被人体吸收,微生物也能够合成自己的酶系统,来逐步降解位于微生物体之外的大分子物质,打断它们的长链结构,使这些物质的分子变小,而后开始“美美饱餐一顿”。

塑料也是具有复杂结构的长链的大分子,而这株真菌又恰好能够分泌打断这些大分子的酶,实现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,与塑料堆的朝夕相处也使其进化出,或被筛选出了能够分解和利用塑料的能力,从而逐渐演化出一些能有效降解塑料的类群。

对于很多微生物而言,如果给它吃面包、米饭,他们会活得很好,但如果它们没有那么好的生存环境,比如长期生活在塑料垃圾周围的微生物,为了生存,它们就会慢慢“进化”,通过分泌酶类“吃”塑料,获得额外的能量来源。这也体现出微生物和环境相互影响、相互作用、相互适应的特征。

在与真菌共同孵育处理后,聚乙烯塑料表面产生了明显的皱缩和裂痕,扫描电子显微镜的观察结果显示,塑料的微观表面出现密集的孔洞,说明黏附于塑料的菌丝已穿透塑料表面,发挥了降解效果。

真菌对聚乙烯塑料的定殖和降解情况 图片来源:中国科学院海洋研究所

扫描电子显微镜观察真菌对聚乙烯塑料的降解情况

图片来源:中国科学院海洋研究所

三、该真菌展现出广谱性的降解能力

在后续实验中发现,这株真菌的能力不仅限于此,它似乎对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,聚氨酯塑料被广泛地运用于电器制造、汽车、建筑、服装等行业中,比如消音材料、保温材料都存在着聚氨酯的身影。它的市场占有率也仅次于4种聚烯烃塑料。

自30年代问世以来,环境中积累了非常多的聚氨酯废弃物垃圾。这株真菌则能够以一种肉眼可见的速度劣化和降解聚氨酯产品。真菌处理2周后,聚氨酯膜片表面便可以出现裂隙。处理时间延长到5周后,膜片呈现明显的碎片化,降解效果良好。

既然面对普通塑料都能有较好的降解作用,那如果要处理的对象是可降解塑料,岂不是可以在原来基础上提高降解效率,缩短降解周期呢?答案是肯定的。

当这种可降解塑料与真菌孵育仅仅一周,表面就出现了明显的裂纹,并且颜色发黄,这正是被氧化和侵蚀的表现;当时间到达两周,塑料表面被侵蚀的面积明显加大,甚至出现了较大面积的孔洞;时间线拉长到三周之后,塑料残余物已经非常少,如果再等待一段时间,可降解塑料就会完全被真菌所代谢利用。

含有PBAT+PLA+St成分的可降解塑料袋在4周内被海洋真菌降解的情况

图片来源:中国科学院海洋研究所

四、推荐使用可降解塑料

与传统的塑料制品在自然环境数百年的降解历程相比,可降解塑料将时间进程缩短到几个月,是人类合成塑料历史上的一大长足进步。在这里推荐使用可降解塑料,并认准“可降解塑料”标识。该标识是由带箭头循环圈、双“j”(降解拼音首字母)、材质缩写(如PBAT、PLA等)、国家标准及产品名称组合而成的图案。

“可降解塑料”标识举例 图片来源:国标GB/T 41010-2021

与此对应的国标为GB/T 41010-2021并于2022年6月1日开始实施。符合该国标认证的产品通过了相应的降解率、重金属含量及降解产物的毒性实验,环境安全性高。

值得注意的是,生活中使用的可降解塑料并不能在简单的风吹日晒中完全降解,降解率也非常低,还是会污染环境,如果流入海洋被海龟等生物吞噬,极有可能堵塞消化道从而造成死亡。

通过使用可降解塑料,能让我们实现便利生活的同时,也能够保护环境。当然,我们更应该养成节制使用塑料制品的意识——比如出门自己携带购物袋,减少使用一次性用品,只要人人都可以在自己的生活中保持绿色好习惯,相信我们的环境将会迎来大不同。

编辑 田薇

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