塑料是生活中常見的高分子材料，因?yàn)檩p便耐用、可塑性好，其應(yīng)用幾乎覆蓋了生活的方方面面，但使用后棄置的塑料制品成為固體廢物，難以降解處理，給生態(tài)環(huán)境造成污染，給人類健康帶來危害，被稱為“白色污染”，其治理也成為世界性難題。
近日，江大環(huán)境與安全工程學(xué)院孫建中教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)綜述了昆蟲及其腸道共生菌在塑料生物降解中的獨(dú)特作用，并探討了該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展路徑，相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際昆蟲學(xué)英文刊物《昆蟲科學(xué)》。那么，昆蟲為何擁有“吃掉”塑料的獨(dú)門絕技？人們能否利用它們解決白色污染難題？
多種生物菌能“吃掉”塑料
孫建中介紹，昆蟲是世界上物種最豐富的生物，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)印度古螟、草地貪夜蛾、黃粉蟲、蠟蛾等昆蟲展現(xiàn)出了消化聚乙烯、聚苯乙烯等常見塑料的能力，而這背后，昆蟲腸道共生菌扮演了至關(guān)重要的角色。
“在塑料與昆蟲腸道共生菌相遇之前，昆蟲的咀嚼或啃食行為已先行一步破壞了塑料的結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的分解創(chuàng)造了有利條件。隨后，昆蟲腸道共生菌能夠分泌一系列生物酶，促使塑料分子中的化學(xué)鍵斷裂，將復(fù)雜的塑料聚合物轉(zhuǎn)化為更小的、可被腸道共生菌或宿主昆蟲代謝的分子?！睂O建中說。
昆蟲腸道共生菌能夠分泌酯酶、脂肪酶、過氧化物酶、漆酶等酶類，特異性地作用于塑料分子的化學(xué)鍵，促進(jìn)化學(xué)鍵的斷裂和轉(zhuǎn)化?！耙坏┧芰媳环纸?，產(chǎn)生的化合物就可以被用作昆蟲腸道共生菌生長(zhǎng)的碳源?！睂O建中說。
除了昆蟲腸道共生菌，在被污染的水體和土壤中存在的一些細(xì)菌、真菌、藻類等也能夠降解塑料。研究表明，部分真菌和細(xì)菌已展現(xiàn)出對(duì)聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯及聚丙烯等多種合成塑料的分解能力。藻類在塑料聚合物降解過程中的作用也日益受到科學(xué)家的關(guān)注。
人工制酶提高降解速度
塑料廢棄物對(duì)環(huán)境的污染問題日益嚴(yán)峻，已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。目前全球每年生產(chǎn)超過3.3億噸塑料，預(yù)計(jì)到2050年，這一數(shù)字將增加兩倍。既然昆蟲腸道共生菌能“吃掉”塑料，那么人們能否加以利用，從而大量消解塑料垃圾呢？
針對(duì)這一問題，孫建中指出，昆蟲腸道共生菌能“吃掉”塑料與大量降解塑料并不能混為一談。與自然環(huán)境中動(dòng)輒數(shù)十年甚至上百年的降解時(shí)間相比，雖然昆蟲腸道共生菌對(duì)塑料的降解速度相對(duì)較快，但仍然難以滿足實(shí)際需求，“僅僅依靠昆蟲腸道共生菌本身產(chǎn)生的酶作用有限，還需要人工制備酶，以優(yōu)化塑料降解過程，提高降解速度”。
孫建中介紹，研究人員需要研究不同酶的代謝途徑，篩選出可降解塑料的、適合培養(yǎng)的酶，再通過基因工程對(duì)細(xì)菌進(jìn)行改造，使其成為可大量產(chǎn)生這些酶的“工廠”。
此外，還可以對(duì)多種可分解塑料的酶進(jìn)行優(yōu)化組合，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)塑料垃圾的高效治理。孫建中表示，未來，科學(xué)家將繼續(xù)尋找具有塑料降解能力的昆蟲腸道共生菌，同時(shí)通過生物工程手段改良塑料降解酶的活性和特異性，使其能更有效地分解不同類型的塑料。
產(chǎn)業(yè)化降塑要“兩條腿走路”
雖然人工制備酶在一定程度上能提高塑料降解速度，但是大批量地人工制備酶還需要攻克發(fā)酵工程、基因工程、酶工程等方面的技術(shù)難題。
“如今，一些酶已經(jīng)能夠做到實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的純化，但距離產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)仍有一段距離?！睂O建中說?！拔覀儾粌H要推動(dòng)塑料降解的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，還要‘兩條腿走路’，探索可生物降解塑料技術(shù)，以可生物降解塑料逐步替代傳統(tǒng)石油基塑料。”
在生物降解塑料技術(shù)方面，孫建中的團(tuán)隊(duì)一直在探索。前不久，他的團(tuán)隊(duì)完成了“基于過程仿生的木質(zhì)纖維素高值化產(chǎn)品開發(fā)”項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化示范驗(yàn)收，成功將農(nóng)作物秸稈中的纖維素/半纖維素，通過新型預(yù)處理技術(shù)，直接發(fā)酵轉(zhuǎn)化為高純度L乳酸。
“L乳酸是環(huán)境可降解塑料聚乳酸的重要合成原料?！背袚?dān)該項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化示范任務(wù)的中科康源（唐山）生物技術(shù)有限公司董事長(zhǎng)張東遠(yuǎn)說，“依托新型預(yù)處理技術(shù)，我們建成了一條千噸規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化示范生產(chǎn)線，整套生產(chǎn)線技術(shù)水平與規(guī)模達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先”。
近期，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院相關(guān)團(tuán)隊(duì)通過基因編輯微生物孢子，將其嵌入塑料中，制成可降解“活”塑料。該塑料在日常使用中性能穩(wěn)定，在特定條件下可激活孢子以降解塑料。此外，海南熱帶海洋學(xué)院的研究人員篩選、培養(yǎng)出海洋微塑料降解菌——玫瑰色菌，在海洋微塑料生物降解技術(shù)上取得重要突破。
孫建中表示，下一步，為規(guī)范生物降解塑料的生產(chǎn)與處理流程，國(guó)家有關(guān)部門還要建立健全相關(guān)法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)體系，為行業(yè)提供明確的參照與監(jiān)督依據(jù)，確保生物降解塑料的安全性與環(huán)境友好性。（記者 張翼 通訊員 吳奕）
