可以“吃”塑料的海洋微生物在青發現
中科院海洋所孫超岷團隊探索塑料循環經濟發展“海洋方案”
僅僅一年時間，深耕海洋微生物研究的中國科學院海洋研究所孫超岷課題組就接連獲得兩項重大科研進展。“2021年，我們首次發現能有效降解塑料垃圾的海洋微生物菌群。今年，我們再次發現并培養出‘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，兩周內即可將一些塑料降解為碎片。”孫超岷說。
像許多發明一樣，塑料本身并不是“壞物質”。不過，大量塑料生產和廢棄正對氣候變化、自然損失和污染方面造成“三重危機”。海洋所的研究結果，有望突破多種難降解塑料的降解瓶頸，開發出環境友好型降解塑料垃圾生物制品。目前，該成果已申請國家發明專利保護；4月28日，已申請國際發明專利保護，科研成果轉化正在推動中。
孫超岷團隊成員正在研究“吃”碎片的海洋微生物。
發現以塑料為“食”的海洋微生物
在中科院海洋所實驗海洋生物學重點實驗室里，大大小小的透明玻璃瓶里盛著些許“水”“泥土”，排在桌子上、冷藏箱里。孫超岷介紹，這是通過“科學”號科考船等方式獲取的第一手海洋沉底物樣品，一滴水或者一把泥里面，就有數千萬計的海洋微生物。
其實，他們最初并沒有特別關注能夠降解塑料的海洋微生物。2016年，日本京都工藝纖維大學科學家發表論文，稱在陸地上發現了能有效降解聚對苯二甲酸乙二醇酯塑料（PET）的微生物。這給孫超岷團隊極大啟示：海洋中存在大量塑料垃圾，是否有海洋微生物能夠有效降解塑料？
帶著這種想法，他們自2016年開始從青島近海采集了上千份塑料垃圾。“塑料是一類高分子聚合物的統稱，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PUR）及聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等六種塑料制品是目前塑料垃圾的主要來源。”孫超岷說，通過對收集的塑料垃圾進行大量篩選，他們先后發現了附著在塑料垃圾上的兩種海洋微生物。2021年發現的是一種細菌，能有效降解PET和PE兩種塑料。今年發現的是一種成長后肉眼可見的真菌，不僅能有效降解當前用量最大、污染最重、最難降解的PE塑料，同時對PP、PS、PVC、PUR、聚酰胺（PA）和生物可降解塑料都有明顯的降解效果。
海洋微生物對聚酯型聚氨酯的降解圖示。
微生物能夠降解塑料，是因為微生物經過與塑料及類似物的長期共存，逐漸演化出一些能有效降解塑料的類群。孫超岷常常這樣比喻：對于很多微生物而言，你給它吃面包、米飯，他們會活得很好，但如果它們沒有那么好的生存環境，比如長期生活在塑料垃圾周圍的微生物，為了生存，它們就會慢慢“進化”，通過分泌酶類“吃”塑料，獲得額外的能量來源。
兩周內即可將一些塑料降解為碎片
發現能“吃”塑料的海洋微生物，過程充滿曲折。前兩年，孫超岷團隊的研究工作幾乎沒有任何進展。在發現能夠分解塑料的海洋微生物菌群后，團隊又耗時約3年，剔除菌群中不起降解作用的微生物，才獲得精準有效的“吃”塑料微生物。“在這個篩選過程中，一遍遍重復失敗，也曾想過放棄，慶幸的是最終堅持了下來。” 回顧多年來的科研經歷，孫超岷團隊成員、海洋所博士高蓉蓉不勝感慨。
其實，發現能有效降解塑料的海洋微生物已經是一個成果，但推動成果轉化，他們還需要解決“降解速率”的現實問題。一般而言，微生物降解塑料是一個非常緩慢的過程，不會立竿見影——這也是國內外極少有課題組對此進行研究，即便研究目前也未取得突破性進展的原因。孫超岷團隊此前的研究同樣顯示：發現的海洋微生物雖然能夠降解塑料，但需要較長時間，甚至長達數月。
為攻克該難題，孫超岷團隊加快實現能“吃”塑料海洋微生物的純培養，即實現只在單一種類存在的狀態下所進行的生物培養。“海洋中存在大量未知的微生物，我們團隊的一項重要工作，就是基于采集的海洋樣品，在實驗室里實現未知海洋微生物的純培養。海洋微生物若培養不出來，也就不可能了解它，更不可能利用它。” 孫超岷將他們海洋微生物的研究工作概括為 “三部曲”：培養、了解和利用。
簡而言之，在發現能夠分解塑料的“升級版”海洋微生物后，孫超岷團隊首先實現了能“吃”塑料海洋微生物的純培養，繼而通過不斷改良培養條件，讓微生物加快分泌有利于降解塑料的酶種，如此大大提升了降解效率：一個月即可產生原來數月才能達到的降解效果，同時還拓寬了塑料降解譜，能夠有效降解PP、PS、PVC、PUR等多種塑料。“對于PUR塑料和生物可降解塑料來說，第二天就可以看到穿透效果，約一周時間則可實現完全變形、酥脆，兩周內將其降解為碎片。” 孫超岷表示。
推動從塑料降解到高值化生物轉化
當前，“塑料污染已成為一種流行病。”聯合國環境規劃署提供的統計數據顯示，世界塑料產量從1950年的200萬噸飆升至2017年的3.48億噸，預計到2040 年產能將翻一番。每年約有1100萬噸塑料垃圾流入海洋。到2040年，這一數字可能會增加兩倍。塑料生產和污染正對地球這個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”并引發一場災難。
從陸地到海洋，從最高的山峰到最深的海溝，塑料垃圾和污染已經無處不在。在今年3月份舉行的第五屆聯合國環境大會續會上，來自175個國家的國家元首、環境部長和其他代表簽署了《終止塑料污染決議（草案）》，旨在2024年前結束塑料污染，制定一項涉及塑料整個生命周期的具有法律約束力的國際協議，推動全球塑料污染治理。
應當看到，在塑料的生產、設計以及處理等方面，國內外都在積極進行探索，但垃圾處置目前仍缺少優異方案。“由于廢舊塑料種類繁多、回收降解反應復雜，塑料垃圾中只有9%被回收，其余12%被焚燒，79%被填埋或者遺棄在了自然環境中。” 孫超岷說，塑料垃圾的處理方法主要有填埋、焚燒和利用微生物降解三種。只有微生物降解方式是綠色環保的，而該項研究還處于起步階段，距離產業化應用仍有一段距離。
當前，孫超岷團隊正在推動塑料降解方案“產業化”。這不僅是因為他們發現了能有效降解塑料的海洋微生物，同時研究還顯示，今年發現的、經培養改良后的“吃”塑料海洋微生物不僅對環境無害，而且在降解塑料后其培養物能夠產生有效抑制多種病原菌的活性物質。這意味著產業鏈上游可用于發展環境友好型塑料降解制品，下游生物基材料還可以用于生產抗生素等生物制品。
“我們正對該海洋微生物進一步培養優化，同時積極對接企業，努力實現對部分塑料（如聚酯型PUR）的工業級應用，建立‘從塑料降解到高值化生物轉化’的一體化生物回收模式。”面對從“0”到“1”的課題，孫超岷也希望更多部門、企業、院校參與進來，加快從基礎研究向實際應用轉化，為我國塑料循環經濟發展提供經濟、環保、可行的“海洋方案”。（記者 李勛祥）
來源：青島日報/觀海新聞
責任編輯：崔現香
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