仅需两周,这种微生物就能将最难降解的PE塑料“吃”成碎片
作者 | 田瑞颖 廖洋
为减少不可降解塑料的增量,越来越多的国家开始采取“禁塑令”等措施。但全球每年仍有约1.5亿吨塑料垃圾进入陆地和海洋环境。如何帮助地球“消化”海量的不可降解塑料?寻找能“吃”塑料的微生物,成为近年来科学家关注的焦点。
近日,中国科学院海洋研究所研究员孙超岷团队经过多年攻关,首次发现能有效降解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚乙烯(PE)两种塑料的海洋微生物菌群和酶——仅需两周,它们就能将最难降解的PE塑料“吃”成碎片。相关研究成果发表于《危险材料》。
小菌群大作用
塑料是一类高分子聚合物的统称,包括聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯和聚氯乙烯等。
2016年,日本京都工艺纤维大学科学家发现了能有效降解PET塑料的微生物,这一消息让众多科学家为之振奋。
虽然目前许多科学家正在寻找能有效降解塑料的微生物及酶,但对最难降解、体量最大的PE塑料,却一直没有办法。
“PE塑料具有优异的化学稳定性,比PET等其他类型的塑料更难降解,而生活中常见的一次性塑料袋、农用地膜等几乎都是PE塑料。研制出有效降解PE塑料的生物制品,对于消除白色污染至关重要。”孙超岷在接受《中国科学报》采访时说。
微生物无处不在,是否有能“吃”掉PE塑料的微生物?如果有,又该去哪儿找呢?
“全世界的塑料垃圾只有约9%得到回收再利用,其余大部分被焚烧、填埋或直接遗弃在自然环境中,而海洋正是塑料垃圾最终流向之一。”孙超岷告诉记者。
“百川归海”,他决定向海洋要答案。“海洋是塑料的主要承载地,相应地,很多海洋微生物在与塑料的长期共存中也进化出一系列塑料降解系统,其产生的塑料降解酶也成为发展塑料降解酶制剂的绝佳候选材料。”
孙超岷进一步解释道,“塑料聚合物主要被生物胞外酶解聚成短链或小分子物质,随后转运到细胞内彻底氧化。细菌可产生多种胞外酶降解塑料大分子,如脂酶、解聚酶、酯酶、蛋白酶、角质酶、脲酶和脱水酶等。”
“塑料可以转化成微生物自身生长所需的能源物质,微生物最终可以将塑料分解成对环境完全无害的二氧化碳、水等产物。”中国科学院海洋研究所博士高蓉蓉说。
中国科学院理化技术研究所研究员、工程塑料国家工程研究中心主任季君晖认为,“对于解决塑料增量问题,推行可降解塑料是主要途径,但对于解决不可降解塑料的存量问题,运用微生物进行降解是非常好的研究方向。”
大海捞“菌”
寻找能“吃”掉PE塑料的微生物,可谓大海捞针。
“适者生存,海洋中的微生物适应了高盐、高压、黑暗等极端环境,产生了一些陆地环境无法形成的天然产物,例如具有特殊功能的抗生素和酶等,这些是生物制品非常好的资源库。”孙超岷告诉记者。
2016年,在与海洋微生物打了多年交道后,孙超岷带领团队开始了这场也许没有结果的寻“菌”征程。
起初,他们在青岛近海受塑料污染较严重的海水浴场采集了上千份塑料垃圾,并对其中的菌群进行培育筛选,然而两年多的工作几乎没有进展。就在大家一筹莫展之时,偶然发现有一个菌群能有效定殖在矿泉水瓶壁,这让整个团队兴奋起来。
但菌群中含有很多微生物,并非所有微生物都能分解塑料,在进一步剔除“打酱油”的微生物、精准锁定能“吃”掉PE塑料的微生物后,孙超岷团队又耗时近3年获得了相应的微生物纯培养,并人工复配了能有效降解PE塑料的菌群,最终结合不同手段找到了降解PE塑料的相应酶。
“在筛选能降解PE塑料的微生物的过程中,我们常常几个月都在重复失败的结果,最难时也曾想过放弃,但庆幸的是,我们坚持下来了,也正是大量失败的经验促使我们最终得到能‘吃’塑料的菌群,这是一种量变引起质变的过程。”高蓉蓉感慨道。
在孙超岷看来,很多研究团队没有持续下去的原因,一方面是塑料作为近百年才出现的新型污染物,自然界的微生物还没有进化出高效降解塑料的成熟系统,筛选起来犹如大海捞针。另一方面,微生物降解塑料的效果短时间内肉眼难以观察,需要借助特殊的仪器检测。
“科学研究需要持续坐‘冷板凳’,项目没有拿到结果,是很难得到资助的,而对于有潜力但又有冒险性的课题,尤其是从‘0’到‘1’的课题,国家应该给予更多资助。”孙超岷表示。
“我们的研究为PE塑料的降解打开了一扇门,但‘登堂入室’后还需开展更多工作。”孙超岷告诉记者,“目前,团队还在精细研究酶的结构及作用机制,试图通过突变的方式找到更高效降解PE塑料的酶,并把不同的酶合在一起形成酶系,最终发展为塑料降解酶制剂。”
此外,孙超岷团队还在尝试用不同比例复配微生物菌群,希望通过调整不同微生物个体的比例,提高PE塑料降解效率。
加强学科交叉
“目前,团队发现的微生物菌群和酶还只能在实验室小规模条件下实现对塑料垃圾的部分降解,距离产业化应用还有一段较长的路要走。”孙超岷坦言。
他希望能研制出塑料降解生物制剂,并在密闭的反应器中处理塑料垃圾,对相应的降解产物进行回收再利用。“目前所使用的菌群都是常见的微生物,不会造成生物安全及二次污染问题。”
在孙超岷看来,可降解塑料全面取代传统塑料之前,后者仍具有一定的生存空间,研制塑料降解生物制品对解决已经形成和未来新增的塑料污染问题具有重要意义。
“消除地球上的白色污染,不能单靠几个团队或几个专业,必须全 社会 通力合作,才能突破传统塑料的降解技术瓶颈。未来,我们希望能与其他不同学科的研究团队共同努力,研制出高效降解塑料垃圾的生物制品。”孙超岷说。
在季君晖看来,利用微生物降解塑料和研制可降解塑料,虽然是两个相差较大的领域,但存在互补性。“两个学科需要更多地交叉,未来也一定会有更多的相互补充。”
“禁塑令”应循序渐进
目前,全国绝大多数省份已经发布塑料污染治理相关实施方案或行动计划。2020年12月1日,《海南经济特区禁止一次性不可降解塑料制品规定》正式实施,意味着海南正式全面禁止一次性不可降解塑料袋、塑料餐饮具等塑料制品。
但季君晖指出,真正可靠的塑料制品是全生物降解塑料,由于目前各地出台的政策缺乏统一标准,致使“部分可降解”塑料混迹市场,更尴尬的是,“全生物降解塑料目前的产量仍无法满足实际市场需求”。
他还发现,“禁塑令”存在一些执法“盲点”,对于在市场“明面”上流通的塑料,监管相对容易,而对于通过物流手段交易的塑料产品,监管起来却非常困难。
“国家应该尽快统一标准,这样一方面减少重复标准制定,另一方面便于统一管理。此外,政策制定还应循序渐进,不应‘一刀切’。对于超市等渠道销售的塑料袋等产品价格,应该进行一定的干预,以防过高价格和利润引起民众对禁塑令的抵触,并滋生廉价违规塑料产品的地下交易。”季君晖表示。
相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125928.
相信大家都比较清楚,现在全球范围内污染物最严重的就是塑料,全球每年制造出来最起码有数百万个不可降解的塑料瓶子,除了塑料瓶之外还有各种的塑料污染,尤其是这些塑料瓶会被直接丢弃在城市的街头或者是海洋之中。要知道这些塑料的分解最起码需要好几百年,人类每年制造出来的塑料,最起码达到了2.2亿吨。尽管大家现在已经越来越重视回收,可是这些塑料还是有很多被直接当成了垃圾,那么如何才能够解决地球塑料污染的问题,科学家可以说是绞尽脑汁。不过日本科学家有了最新的发现,因为他们发现有一种细菌,这种细菌其实之前一直不被注意,但是没想到这种细菌居然能够产生一种能够分解塑料的酶。
这究竟是一种怎样的神奇东西呢?当然这一最新的发现公布了之后,可以说是引起了各国科学家极大的关注,毕竟地球塑料污染的问题真的是令人非常的头痛,如何才能够解决这个问题,也成了科学家急需解决的问题,而日本科学家所发现的这种酶,可以从土壤和废水之中收集PET塑料残骸。
也就是说这种细菌其实主要的食物就是PET,当然关于这种细菌,为什么体内会具有这种特殊的酶,能够将塑料彻底的分解成为原始的状态,科学家推测很有可能是在塑料产生之后,这种细菌慢慢的演化出了这种能力,毕竟塑料最早出现是在上个世纪40年代。
不过科研团队在发现了这一最新的细菌之后,更多的是想要通过这种细菌来找到它本身所含有的这种能够分解塑料的酶,希望通过找到这种存在,了解具体的能够分解塑料的新方法,科学家表示,这种酶其实对于聚乙烯对苯二甲酸脂有着强大的分解作用。
科学家将这种酶命名为PETase酶,科学家通过显微镜观察,结果发现这种酶,随着科学家不断的分离培养,在这种PET薄膜上逐步的出现了不断的降解能力,PET薄膜随之也出现了很多的洞。
科学家有了这一惊人的发现之后,更加好奇的是,这种酶如何能够分解PET薄膜?科学家经过仔细的研究之后发现,这种酶的蛋白质能够将PET降解,而且在降解之后产物就会直接进入到细菌的体内,并且在细菌体内进一步得到消化,最终会转化成为乙二醇和对苯二甲酸,这两种可是结构简单的有机物。据此可以推断,其实这两种结构比较简单的有机物,应该就是这种细菌的营养来源,这两种有机物其实都是普遍常见的工业原料,处理这些工业原料的话,要比处理塑料垃圾相对来说简单很多。
虽然说这种方法已经找到了,但是科学家表示也不能高兴的太早,这种细菌降解塑料的速度可以说是相当的慢,一块小小的塑料薄膜,最起码需要六周的时间,这样的效率相对来说真的是太慢了。
不过这种最新的发现,其实最有力的价值在于告诉了我们人类,自然界之中酶类的演化速度,可能比我们人类所想象的要更加的快一些。因为PET薄膜其实诞生到现在,差不多也就是70年左右的时间,但是没想到在自然界之中,居然早已经有了具体的应对之策。那么关于这种酶是如何出现的,而人们的活动对于它的出现又是施加了多么大的影响,想要了解这些问题,其实还需要科学家对于这种降解酶的结构和机制进行不断的研究和探索。
不过科学家表示,也不要过度的悲观,虽然说现在不能够高效的利用这种酶,彻底的将自然界之中所有的塑料垃圾彻底的清除,但是最起码我们可以在白色污染越来越严重的情况下,掌握更多的方法来解决白色污染问题。
其实我们现在关于这些塑料的处理方法,科学家已经提出了很多,比如说塑料的回收,看起来好像还是挺有效的,可是回收其实利用率并不是特别的高,只能够加工成为一些低质量的材料和产品,想要将这些塑料彻底的分解成为单个的小分子化合物,真的是非常的困难,也就是说虽然经过几次不断的回收,但是它的本质并没有发生任何的改变,依旧还是称之为塑料垃圾。
塔宾曲霉菌是测定活性的重要指标,它直接决定了相对活性的大小。
该霉菌和降解酶的活性是成正比的,霉菌越多,活性越大。
据报道,来自国外的科学家团队,目前正在研究一种被称作“超级酶”的细菌,这种细菌是环保主义者无意中发现的,它竟然可以吞噬塑料。英国《泰晤士报》在报道中表示,如果日后这种“超级酶”可以广泛应用,那么,塑料垃圾污染也就会解决掉引发的环境污染问题。
塑料垃圾,就是我们常说的“白色污染”。塑料的主要成分是聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等高分子化合物,虽然它们被制作成购物袋、餐具、饮料瓶等物品,为人类的生活提供了很大的方便,但是却由于这些高分子化合物很难被降解,因此,对于地球环境,也就伴随着时间的推移,而造成了极大的污染。
多种塑料制品投入使用后,很快就成为世界上最受欢迎的生活用品之一,不过,塑料制品被人们随手抛弃后的影响,也日益显现。
举个例子,当我们外出旅游的时候,无论是在山上还是在海边,几乎拥有人类身影的每一个角落中,都可以看到塑料垃圾的影子。这些垃圾造成的“视觉污染”其实并没有那么可怕,可怕的是它们对于生态环境的影响。
比方说,人类在海边随手丢弃的塑料垃圾,如今已经在海洋中形成了巨大的海洋垃圾带,而且还会被海洋生物给误食,不仅会破坏海洋生态平衡,同时,塑料垃圾由于无法降解,也会污染海水,同时进入到海洋生物的体内。
地球上广阔的海洋为人类提供了丰富的资源补给,其中海洋食物补给非常重要,当人类捕食从海洋中捕捞上来的,体内已经具有塑料成分的海洋生物后,这些污染源也会进入到人类体内,而且越来越严重。
所以,多年来,科学家们一直在寻找一种可以有效解决塑料垃圾污染的办法,这次“超级酶”的发明,对于人类来说,绝对是一件大好事。
地球,为人类的进化和发展提供了必要的保障,而人类的活动又会反过来对地球造成影响。随着人类发展速度的加快,对于资源利用的增加,人类对于环境所造成的影响也越来越显著了。现在,环境已经成为了人类发展过程中所必须要面对的一个问题。不可遏制的全球变暖问题、难以降解的塑料垃圾,这些都是人类活动所产生的几乎于无解的环境难题。然而,这两个问题的其中一个,很可能将要被攻克。
这个将要被攻克的难题就是塑料污染。
在我们生活之中,很多地方都要用到塑料,塑料袋、塑料瓶等等数之不尽。
然而塑料是一种非常难以降解的物质,几乎可以说是无解。既然如此,为什么还要使用塑料呢?原因只有一个,便宜。塑料的制作成本十分低廉,所以被广泛应用于各种产品的包装之上。这里有一个触目惊心的数字,有科学家进行过研究,平均每小时,世界上就会多出上亿个塑料袋。而在自然界之中,除了那些看得见的塑料垃圾以外,还有很多看不见的微塑料,所谓微塑料就是塑料垃圾磨损破碎后所产生的微小塑料颗粒,
海水中,海洋生物中,微塑料已经随处可见,我们每天也会不可避免的摄入微塑料。
而至于其危害,目前还难以确定。
塑料,是人们不得不面对的一大环境难题。
而这看似无解的难题,很可能在一种小虫子的身上得到答案,这种小虫子就是蜡虫,所谓蜡虫就是蜡蛾的幼虫。
大多数人可能并不认识蜡虫,但如果你是一个养蜂人,那么你一定知道这是什么,因为我们很容易就可以在蜂巢之中发现这种虫子,因为蜡虫,顾名思义,就是以蜂蜡为食的。既然这种虫子是以蜂蜡为食,为什么又说它能够吃塑料呢?这还要从发现这一现象的生物学家说起,发现这一现象的生物学家叫做Federica Bertocchini,她除了是一位生物学家以外,她还是一个业余的养蜂爱好者。
如果你也养过蜜蜂就会知道,清理蜂巢中的蜡虫是养蜂的必要工作。而当她将清理出来的蜡虫放在塑料袋中之后,不久塑料袋上就出现了很多小洞。这一现象引起了这位生物学家的兴趣,她还是怀疑,蜡虫并不是单纯的咬破塑料袋而逃逸,它可能是在吃塑料袋。在经过进一步的观察之后,她的猜想被证实了。接下来的问题就是弄清楚蜡虫是否可以分解消化这些吃进去的塑料制品。Federica Bertocchini马上展开研究,
结果发现在蜡虫的体内存在着一种特殊的酶,这种酶既能够分解消化蜂蜡,也能够分解消化塑胶。
这是一次了不起的发现,蜡虫成为了迄今为止唯一一个已知的能够分解塑料的生物。有人可能会担心了,接下来会不会为了消灭塑料垃圾而大量繁殖投放蜡虫呢?如果是这样,岂不是会很恐怖,并不是所有人都喜欢小虫虫。放心啦,
科学家会对蜡虫体内这种特殊的酶进行研究,之后会通过生物技术来进行复制生产,然后将这种制剂用在塑料垃圾的处理降解之上。
可以预见,在应用了这种技术之后,塑料垃圾的增长将会的得到明显抑制。不过,人类制造塑料垃圾的速度太快,所以即使 拥有着这种塑料降解酶,仍然要限塑降解相结合,才能真正消除塑料污染。
中文全称:矿石生物酶生物降解塑料
OBE的原料是采用多种矿石粉以及土著菌激活剂(生物酶)混炼制成母粒。当袋膜使用后OBE土著菌激活剂诱引土著菌集结并进行分解,袋膜产生裂解成细片状(4-5cm),再经过生态化学螯合袋膜分解成粉粒状(0.01~0.1mm),生态的后生动物分解溶人生态环境中成为无害物。
我们每天都会制造很多垃圾,这些垃圾里面有些是很难降解的。比如我们常见的塑料制品,那么塑料需要多长时间才能降解掉?为何会这么难降解?塑料制品降解一般都是都是很难降解的,但根据材质的不同降解时间有差异。可降解的可以在一年甚至几个月里降解掉,但不可降解的需要几十年甚至上百年才可能降解完全。不可降解是因为材质无法在自然界找到相对应的微生物和酶来分解。让我们来分析分析。
塑料制品因其便携带,成本低,受用范围广等特点,从被发明到现在被人们广泛应用于各个行业。但优点众多的塑料制品有个致命的缺点就是难以降解甚至不可降解,现代科技改进了很多已经使很多塑料成为可降解的。但还是有不少的塑料无法降解,很多国家都限制了塑料袋的使用,还有不少欧美国家已经禁止使用塑料袋,我国也在2008年颁布了限塑令。
塑料能被降解是靠在泥土里的微生物和酶的作用,但制作塑料的最主要的成分聚乙烯在泥土里找不到能将其降解的微生物,所以聚乙烯只能靠环境作用和时间。目前研发出的淀粉基的塑料可以在很短的时间内降解,而且对人类无害属于循环再生的材料。但这类的塑料成本过高还未普及开来。我们现在随意丢弃的一个塑料袋未来可能到了我们子孙的那一辈也无法降解掉,现在随意丢弃的不是塑料袋而是我们的子孙的生存环境。
希望在未来我们可以使用上绿色环保的塑料袋,而现阶段没有这样条件的我们要减少塑料袋的使用,多使用环保袋,让我们的环境不要遭到那么多的破坏。不要等到无法挽回了再来后悔,那样就为时已晚了。