編者按：
近年來，人們越來越意識到生態(tài)環(huán)境的重要性，意識到不能以生態(tài)環(huán)境為代價換取經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因為自然環(huán)境是人類生存和繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)，保護(hù)和改善自然環(huán)境是人類維護(hù)自身生存和發(fā)展的前提。
2020 年 3 月 19 日發(fā)表在 Scientific Reports 上的一項研究表示：在日常工作中打開塑料包裝（如巧克力塑料袋和塑料瓶），可能會產(chǎn)生少量的長不到 5 毫米的小塑料顆粒，即微塑料。
目前的研究尚未明確它們所帶來的風(fēng)險和可能的毒性以及如何被人類吸收，還需要對人類進(jìn)行下一步的研究。
從上述研究來看，日常塑料會帶來可能有害健康的微塑料，然而關(guān)于塑料的爭議不止于此。
今天，我們就來聊聊主要的環(huán)境污染之一塑料與微生物之間的關(guān)系，共同探討如何利用微生物解決塑料污染問題。希望該文給相關(guān)產(chǎn)業(yè)和科技從業(yè)人員帶來一些啟發(fā)并提醒諸位讀者重視保護(hù)環(huán)境。
塑料的利與弊
20 世紀(jì) 50 年代，隨著“塑料時代”的到來，建筑技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化。化石燃料的工業(yè)發(fā)展帶來了種類繁多的塑料，從絕緣材料到機(jī)械材料再到涂料，各種材料都發(fā)生了變化，時至今日塑料仍然是每一個建筑構(gòu)件中無處不在的組成部分。
不僅僅是建筑，其實到處都能找到塑料。我們穿的衣服、住的房子、開的車?yán)锬馨l(fā)現(xiàn)塑料，看的電視、用的電腦和使的工具也都含有塑料。人們在各種地方使用塑料產(chǎn)品，努力讓生活變得更便捷、更安全、更愉快。
可事實上，塑料的原料主要來自石油或天然氣，而這就會引發(fā)很多問題。比如，石油的資源十分有限。又比如，在石油開采和提煉的過程中極易造成污染。除了在開采和提煉過程造成的標(biāo)準(zhǔn)污染外，有可能會發(fā)生像 2010 年墨西哥灣沿岸的大規(guī)模石油泄漏這樣的重大生態(tài)破壞性事故。
另一個方面，塑料生產(chǎn)過程中會釋放有毒化學(xué)物。一大堆有害的化學(xué)物質(zhì)會伴隨著塑料的制造而被產(chǎn)生，然后會不可避免地通過水、土壤和空氣進(jìn)入并破壞我們的生態(tài)系統(tǒng)。這其中的許多化學(xué)物質(zhì)是持久性有機(jī)污染物，是地球上最具破壞性的毒素之一。
此外，更為可怕的是塑料難以降解。一些塑料袋和塑料瓶可以經(jīng)過數(shù)百年、數(shù)千年、甚至數(shù)百萬年仍未被降解，這是因為自然界中大部分的微生物不把塑料當(dāng)作食物，因此也就不會去分解它。
不過最近發(fā)現(xiàn)的一些新微生物或許可以幫助我們解決這一問題。
新細(xì)菌助力塑料降解
聚苯乙烯是一次性杯子、餐具、玩具和包裝材料等一次性塑料制品中的關(guān)鍵成分。目前，聚苯乙烯在各個行業(yè)的生產(chǎn)和消費呈指數(shù)級上升，這給環(huán)境造成了巨大威脅，而廢物利用效率低又加劇了這一問題。
據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，全球每年大約會產(chǎn)生 3 億噸塑料垃圾，大約只有 10%被回收利用。據(jù)估計，印度每年消耗約 1650 萬噸塑料。全印度塑料制造商協(xié)會（AIPMA）估計，塑料行業(yè)生產(chǎn)約 1400 萬噸聚苯乙烯，而且這些聚苯乙烯全都是不可降解的。
最近，印度總理宣稱，到 2022 年，印度將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，因此這項舉措在印度將具有重要意義。
不過，近日，印度北方邦大諾伊達(dá)地區(qū) ShivNadar 大學(xué)的 Richa Priyadarshini 團(tuán)隊從大諾伊達(dá)地區(qū)的濕地中發(fā)現(xiàn)了兩種“可食用塑料”的細(xì)菌，這一進(jìn)展可能為解決塑料污染危機(jī)提供一種環(huán)保的替代方法。
該團(tuán)隊分離得到的兩種細(xì)菌分別是 Exiguobacterium sibiricum 菌株 DR11 和 Exiguobacterium undae 菌株 DR14，研究表明，它們具有分解聚苯乙烯的潛力。
Priyadarshini 說：“我們的數(shù)據(jù)表明了一個事實，即極端微生物細(xì)菌 Exiguobacterium 能夠降解聚苯乙烯，并可進(jìn)一步用于減輕塑料造成的環(huán)境污染。”
Priyadarshini 還表示：“濕地是微生物多樣性最豐富的棲息地之一，但相對來說還沒有被開發(fā)。因此，這些生態(tài)系統(tǒng)是分離具有新型生物技術(shù)應(yīng)用細(xì)菌的理想場所。”
聚苯乙烯具有高分子量和長鏈的聚合物結(jié)構(gòu)，且有良好的抗降解性能。根據(jù)發(fā)表在《皇家化學(xué)學(xué)會進(jìn)展》（RSC）雜志上的研究，這正是它們在環(huán)境中持續(xù)存在的原因。
研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這兩種分離的細(xì)菌接觸到塑料（聚苯乙烯）時，會將其作為碳源，并用以制造生物膜。這改變了聚苯乙烯的物理性質(zhì)，啟動了一個自然降解的過程，然后，細(xì)菌能夠通過釋放水解酶來破壞聚合物鏈。
目前，該團(tuán)隊正試圖評估這些菌株的代謝過程，以便在環(huán)境生物修復(fù)中加以利用。
Shiv Nadar 大學(xué)副校長 Rupamanjari Ghosh 說：“我們在校園濕地進(jìn)行科學(xué)探索，無意間發(fā)現(xiàn)‘可食用塑料’的細(xì)菌。而這是一個相對理想的解決方案，打破塑料的自然降解而進(jìn)行生物降解。”
Priyadarshini 補充說：“我們一開始只是探索該地區(qū)，以了解這些地區(qū)的細(xì)菌種類，但最終分離出許多具有獨特用處的細(xì)菌種類。”
她指出，隨著具有塑料生物降解能力的新菌種被發(fā)現(xiàn)，新的酶和潛在的代謝途徑可能也會被發(fā)現(xiàn)，這將有助于未來的生物修復(fù)。
研究人員指出，這兩種細(xì)菌都能在聚苯乙烯表面建立生物膜。生物膜是細(xì)菌細(xì)胞的集合，聚集成群落的形式，以達(dá)到非常高的細(xì)胞密度，而這導(dǎo)致了聚合物降解酶能發(fā)揮更強(qiáng)的作用。
Priyadarshini 說：“聚苯乙烯很難降解，在生物降解之前，需要進(jìn)行某種形式的預(yù)處理，如化學(xué)、熱、光氧化等。”
而 DR11 和 DR14 菌株不僅能夠在未經(jīng)處理的聚苯乙烯上形成生物膜，而且還能夠降解未經(jīng)改性的塑料。
Priyadarshini 還表示：“近年來，人類對塑料制品的依賴大大增加，這導(dǎo)致了環(huán)境中的塑料大量積累，對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了不利影響。因此，人類需要可持續(xù)的塑料降解方法。“
除了想辦法降解塑料以外，還有很多人在尋找能夠替代塑料且可降解的新材料。
從左往右依次是：Mango Materials 公司的 Anne Schauer-Gimenez 、Allison Pieja and Molly Morse ?，他們旁邊是舊金山灣附近污水處理廠的生物高聚物發(fā)酵罐，這個發(fā)酵罐為細(xì)菌提供它們生產(chǎn)生物塑料所需的甲烷。圖片來源：Chris Joyce/NPR
替代塑料的生物聚合物
一家硅谷的創(chuàng)業(yè)公司正在嘗試把塑料從衣服中提取出來，然后加入其它東西，即替代塑料且可降解的生物聚合物。
聚合物是由許多相同單位組成的長鏈分子，這類物質(zhì)往往比較耐用，且具有彈性，塑料就是由石油產(chǎn)品制成的聚合物。不過，在自然界中經(jīng)常出現(xiàn)的是如木材中的纖維素或蠶的蠶絲這樣的生物聚合物，它們與塑料不同之處是可以被分解成天然物質(zhì)。
Molly Morse 希望制造出能取代某些塑料的生物聚合物。她經(jīng)營著一家名為 Mango Materials 的小公司，芒果是她最喜歡的水果，她希望她公司的名字聽起來與舊金山灣區(qū)的其它科技企業(yè)不同。
Morse 說：“我們不是典型的硅谷創(chuàng)業(yè)公司，我們正在一家廢水處理廠生產(chǎn)聚合物，我們不是一群在車庫里編碼的人。”
那么，她是如何在污水處理廠生產(chǎn)生物塑料的呢?
Morse 說這始于她上小學(xué)。她去了一個水族館，無意中發(fā)現(xiàn)了一個展覽，是關(guān)于漂浮在海洋中的塑料垃圾的模擬展。
她回憶道：“那里有一個超級巨大且像魚缸一樣的結(jié)構(gòu)，里面全是蛤殼，就像麥當(dāng)勞的泡沫塑料一樣。我大吃一驚，完全嚇壞了。這個展改變了我的生活，我覺得這太荒謬了，我要改變它。”
于是，Morse 一直追隨著自己的夢想，拿到了斯坦福大學(xué)環(huán)境工程博士學(xué)位。在 2006 年的一次科學(xué)會議上，她遇到了另一位年輕的工程師Anne Schauer-Gimenez。Schauer-Gimenez 說：“我想我們大概凌晨 4 點左右才開始討論如何進(jìn)行這個過程。”
而這個過程就是利用細(xì)菌來制造生物聚合物。
有些細(xì)菌能夠以甲烷為食，制造自己的生物聚合物，特別是如果你喂得好，它們就會產(chǎn)生并累積更多的生物聚合物。Morse 解釋說：“如果我們因為吃了太多的冰淇淋或巧克力而發(fā)胖，那么我們體內(nèi)的脂肪就會堆積起來，這些細(xì)菌也是一樣的。”
為了制造生物聚合物，細(xì)菌需要大量的食物。這就是為什么 Mango Materials 公司在舊金山灣附近的加州雷德伍德市一個叫做硅谷凈水的污水處理廠建立了一個場地。該公司得到了美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation）等機(jī)構(gòu)的資助。
污水里的雜質(zhì)或者至少是污水排放的甲烷氣體是細(xì)菌的食物。處理廠通常將甲烷燃燒掉或者直接排放到空氣中。甲烷是一種強(qiáng)有力的溫室氣體，當(dāng)它被排放入大氣時，會引起全球氣候變暖。而 Mango Materials 把它喂給細(xì)菌。
這個過程是在一個發(fā)酵罐里完成的，這個發(fā)酵罐緊挨著一個裝滿污水的大鋼罐。Mango 公司的工程師 Allison Pieja 展示了他們的發(fā)明：它看起來有點像一個大啤酒桶，里面插著管子，就像靜脈點滴一樣。她說：“這就是奇跡發(fā)生的地方。”
Mango 公司的微生物專家 Allison Pieja 說：“我們不斷地向發(fā)酵罐里添加甲烷和氧氣，并根據(jù)細(xì)菌的生長方式向發(fā)酵罐里滴入我們的‘秘醬汁’。”
“秘醬汁”是該團(tuán)隊開發(fā)的一種添加劑，用于維持這一過程。
最終，當(dāng)細(xì)菌被養(yǎng)肥后，研究小組將發(fā)酵罐打開來獲取生物高聚物。他們把它弄干，然后把它變成小球。
到目前為止，他們已經(jīng)向有興趣的公司運送了近 2000 磅的生物聚合物了。他們的主要目標(biāo)市場是紡織品，盡管他們說生物聚合物也可以用于包裝。
利用這些生物聚合物可以生產(chǎn)出顏色鮮艷的絲線，視覺上和手感都像“塑料”，就像聚酯纖維一樣。人們希望將這種生物聚合物織入服裝中，以取代紡織品中的塑料。
由生物聚合物制成的衣服袖子。Mango 團(tuán)隊正在與幾家公司合作，以測試他們的生物聚合物在紡織品上的效果。圖片來源：Chris Joyce/NPR
生物聚合物的缺點
Schauer-Gimenez 說這樣的衣服將是可降解的，這嚇壞了人們：“‘哦，我的天哪，你打算用你的材料做一件泳衣？我要去海洋，它會生物降解我的身體!’我說，‘不，不，不是那樣的。’”
想要降解，生物聚合物需要合適的溫度和相應(yīng)的細(xì)菌來消化，而且這個降解的過程需要幾周或幾個月的持續(xù)暴露。Morse 承認(rèn)，如果條件不合適，比如在干燥的亞利桑那州沙漠或海底，將需要更長的時間。
這是迄今為止生物聚合物的一個缺點，有些生物降解的速度并沒有達(dá)到他們承諾的那樣。
南卡羅萊納城堡大學(xué)的生物學(xué)教授約翰·溫斯坦將用玉米聚合物制成的袋子放在在濕地中，他發(fā)現(xiàn)它們的降解速度比普通塑料袋還要慢。他談到生物塑料時說：“你創(chuàng)造了一種新材料，但它是如何分解的呢？我很驚訝。”
密歇根州立大學(xué)的化學(xué)工程師兼生物塑料專家 Ramani Narayan 說：“這一切都與環(huán)境條件有關(guān)。生物降解的時間越長，垃圾存在的時間就越長。在這期間，它將對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，這是需要仔細(xì)考慮的問題。”
Mango Materials 的團(tuán)隊表示，他們的材料是一種聚羥基烷酸酯或 PHA 的形式的生物聚合物，與大多數(shù)生物聚合物不同，不需要回收，在合適的條件下，一兩個月后就可以完成生物降解。他們的產(chǎn)品目前正在進(jìn)行獨立測試以證實這一點。
Morse 承認(rèn)，要為生物聚合物鋪平道路，還有很多工作要做。她敦促人們少用塑料，重復(fù)利用物品，而不是把它們?nèi)拥簟５谧穼簳r的夢想——找到比塑料更好的東西。
她說：“除非我們確信這是解決一個巨大的全球性問題的辦法，否則我們不會這么做。”
塑料污染：如何解決？
目前來看，塑料在我們的生活中仍然必不可少，但是由于它降解速度慢，導(dǎo)致了一系列環(huán)境污染。而要解決這一問題首先需要我們在生活中能夠?qū)λ芰线M(jìn)行廢物回收利用。
其次隨著科技的發(fā)展，人們可能會從自然界的微生物中尋找到可以降解塑料的辦法來減少污染或者生產(chǎn)新的生物材料來代替塑料。
不管是哪一種方式，重要的是能夠有利于環(huán)境和人類的發(fā)展。
