這是《腸道產業》第 217 篇文章
編者按：
近年來，人們越來越意識到生態環境的重要性，意識到不能以生態環境為代價換取經濟的發展，因為自然環境是人類生存和繁衍的物質基礎，保護和改善自然環境是人類維護自身生存和發展的前提。
2020 年 3 月 19 日發表在Scientific Reports上的一項研究表示：在日常工作中打開塑料包裝（如巧克力塑膠袋和塑料瓶），可能會產生少量的長不到 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險和可能的毒性以及如何被人類吸收，還需要對人類進行下一步的研究。
從上述研究來看，日常塑料會帶來可能有害健康的微塑料，然而關於塑料的爭議不止於此。
今天，我們就來聊聊主要的環境汙染之一塑料與微生物之間的關係，共同探討如何利用微生物解決塑料汙染問題。希望該文給相關產業和科技從業人員帶來一些啟發並提醒諸位讀者重視保護環境。
塑料的利與弊
20 世紀 50 年代，隨著「塑料時代」的到來，建築技術發生了翻天覆地的變化。化石燃料的工業發展帶來了種類繁多的塑料，從絕緣材料到機械材料再到塗料，各種材料都發生了變化，時至今日塑料仍然是每一個建築構件中無處不在的組成部分。
不僅僅是建築，其實到處都能找到塑料。我們穿的衣服、住的房子、開的車裡能發現塑料，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，而這就會引發很多問題。比如，石油的資源十分有限。又比如，在石油開採和提煉的過程中極易造成汙染。除了在開採和提煉過程造成的標準汙染外，有可能會發生像 2010 年墨西哥灣沿岸的大規模石油洩漏這樣的重大生態破壞性事故。
另一個方面，塑料生產過程中會釋放有毒化學物。一大堆有害的化學物質會伴隨著塑料的製造而被產生，然後會不可避免地通過水、土壤和空氣進入並破壞我們的生態系統。這其中的許多化學物質是持久性有機汙染物，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。一些塑膠袋和塑料瓶可以經過數百年、數千年、甚至數百萬年仍未被降解，這是因為自然界中大部分的微生物不把塑料當作食物，因此也就不會去分解它。
不過最近發現的一些新微生物或許可以幫助我們解決這一問題。
新細菌助力塑料降解
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製品中的關鍵成分。目前，聚苯乙烯在各個行業的生產和消費呈指數級上升，這給環境造成了巨大威脅，而廢物利用效率低又加劇了這一問題。
據聯合國統計，全球每年大約會產生 3 億噸塑料垃圾，大約只有 10%被回收利用。據估計，印度每年消耗約 1650 萬噸塑料。全印度塑料製造商協會（AIPMA）估計，塑料行業生產約 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製品，而一次性塑料製品佔日常使用的塑料製品的五分之一，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地區 ShivNadar 大學的 Richa Priyadarshini 團隊從大諾伊達地區的溼地中發現了兩種「可食用塑料」的細菌，這一進展可能為解決塑料汙染危機提供一種環保的替代方法。
該團隊分離得到的兩種細菌分別是 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：「我們的數據表明了一個事實，即極端微生物細菌 Exiguobacterium 能夠降解聚苯乙烯，並可進一步用於減輕塑料造成的環境汙染。」
Priyadarshini 還表示：「溼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。因此，這些生態系統是分離具有新型生物技術應用細菌的理想場所。」
聚苯乙烯具有高分子量和長鏈的聚合物結構，且有良好的抗降解性能。根據發表在《皇家化學學會進展》（RSC）雜誌上的研究，這正是它們在環境中持續存在的原因。
研究小組發現，當這兩種分離的細菌接觸到塑料（聚苯乙烯）時，會將其作為碳源，並用以製造生物膜。這改變了聚苯乙烯的物理性質，啟動了一個自然降解的過程，然後，細菌能夠通過釋放水解酶來破壞聚合物鏈。
目前，該團隊正試圖評估這些菌株的代謝過程，以便在環境生物修復中加以利用。
Shiv Nadar 大學副校長 Rupamanjari Ghosh 說：「我們在校園溼地進行科學探索，無意間發現『可食用塑料』的細菌。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行生物降解。」
Priyadarshini 補充說：「我們一開始只是探索該地區，以了解這些地區的細菌種類，但最終分離出許多具有獨特用處的細菌種類。」
她指出，隨著具有塑料生物降解能力的新菌種被發現，新的酶和潛在的代謝途徑可能也會被發現，這將有助於未來的生物修復。
研究人員指出，這兩種細菌都能在聚苯乙烯表面建立生物膜。生物膜是細菌細胞的集合，聚集成群落的形式，以達到非常高的細胞密度，而這導致了聚合物降解酶能發揮更強的作用。
Priyadarshini 說：「聚苯乙烯很難降解，在生物降解之前，需要進行某種形式的預處理，如化學、熱、光氧化等。」
而 DR11 和 DR14 菌株不僅能夠在未經處理的聚苯乙烯上形成生物膜，而且還能夠降解未經改性的塑料。
Priyadarshini 還表示：「近年來，人類對塑料製品的依賴大大增加，這導致了環境中的塑料大量積累，對生態系統產生了不利影響。因此，人類需要可持續的塑料降解方法。「
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汙水處理廠的生物高聚物發酵罐，這個發酵罐為細菌提供它們生產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
一家矽谷的創業公司正在嘗試把塑料從衣服中提取出來，然後加入其它東西，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，這類物質往往比較耐用，且具有彈性，塑料就是由石油產品製成的聚合物。不過，在自然界中經常出現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。
Molly Morse 希望製造出能取代某些塑料的生物聚合物。她經營著一家名為 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的其它科技企業不同。
Morse 說：「我們不是典型的矽谷創業公司，我們正在一家廢水處理廠生產聚合物，我們不是一群在車庫裡編碼的人。」
那麼，她是如何在汙水處理廠生產生物塑料的呢?
Morse 說這始於她上小學。她去了一個水族館，無意中發現了一個展覽，是關於漂浮在海洋中的塑料垃圾的模擬展。
她回憶道：「那裡有一個超級巨大且像魚缸一樣的結構，裡面全是蛤殼，就像麥當勞的泡沫塑料一樣。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。」
於是，Morse 一直追隨著自己的夢想，拿到了史丹福大學環境工程博士學位。在 2006 年的一次科學會議上，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行這個過程。」
而這個過程就是利用細菌來製造生物聚合物。
有些細菌能夠以甲烷為食，製造自己的生物聚合物，特別是如果你餵得好，它們就會產生並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胖，那麼我們體內的脂肪就會堆積起來，這些細菌也是一樣的。」
為了製造生物聚合物，細菌需要大量的食物。這就是為什麼 Mango Materials 公司在舊金山灣附近的加州雷德伍德市一個叫做矽谷淨水的汙水處理廠建立了一個場地。該公司得到了美國國家科學基金會（National Science Foundation）等機構的資助。
汙水裡的雜質或者至少是汙水排放的甲烷氣體是細菌的食物。處理廠通常將甲烷燃燒掉或者直接排放到空氣中。甲烷是一種強有力的溫室氣體，當它被排放入大氣時，會引起全球氣候變暖。而 Mango Materials 把它餵給細菌。
這個過程是在一個發酵罐裡完成的，這個發酵罐緊挨著一個裝滿汙水的大鋼罐。Mango 公司的工程師 Allison Pieja 展示了他們的發明：它看起來有點像一個大啤酒桶，裡面插著管子，就像靜脈點滴一樣。她說：「這就是奇蹟發生的地方。」
Mango 公司的微生物專家 Allison Pieja 說：「我們不斷地向發酵罐裡添加甲烷和氧氣，並根據細菌的生長方式向發酵罐裡滴入我們的『秘醬汁』。」
「秘醬汁」是該團隊開發的一種添加劑，用於維持這一過程。
最終，當細菌被養肥後，研究小組將發酵罐打開來獲取生物高聚物。他們把它弄乾，然後把它變成小球。
到目前為止，他們已經向有興趣的公司運送了近 2000 磅的生物聚合物了。他們的主要目標市場是紡織品，儘管他們說生物聚合物也可以用於包裝。
利用這些生物聚合物可以生產出顏色鮮豔的絲線，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。
由生物聚合物製成的衣服袖子。Mango 團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的細菌來消化，而且這個降解的過程需要幾周或幾個月的持續暴露。Morse 承認，如果條件不合適，比如在乾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並沒有達到他們承諾的那樣。
南卡羅萊納城堡大學的生物學教授約翰·溫斯坦將用玉米聚合物製成的袋子放在在溼地中，他發現它們的降解速度比普通塑膠袋還要慢。他談到生物塑料時說：「你創造了一種新材料，但它是如何分解的呢？我很驚訝。」
密西根州立大學的化學工程師兼生物塑料專家 Ramani Narayan 說：「這一切都與環境條件有關。生物降解的時間越長，垃圾存在的時間就越長。在這期間，它將對環境產生嚴重的負面影響，這是需要仔細考慮的問題。」
Mango Materials 的團隊表示，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，與大多數生物聚合物不同，不需要回收，在合適的條件下，一兩個月後就可以完成生物降解。他們的產品目前正在進行獨立測試以證實這一點。
Morse 承認，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，重複利用物品，而不是把它們扔掉。但她正在追尋兒時的夢想——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，否則我們不會這麼做。」
塑料汙染：如何解決？
目前來看，塑料在我們的生活中仍然必不可少，但是由於它降解速度慢，導致了一系列環境汙染。而要解決這一問題首先需要我們在生活中能夠對塑料進行廢物回收利用。
其次隨著科技的發展，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汙染或者生產新的生物材料來代替塑料。
不管是哪一種方式，重要的是能夠有利於環境和人類的發展。
參考資料：
（滑動下方文字查看）
1.https://www.motherearthliving.com/health-and-wellness/harmful-effects-of-plastic-ze0z1205zsch
2.https://www.plasticseurope.org/en/about-plastics/what-are-plastics
3.https://www.theweek.in/news/sci-tech/2019/10/11/Bacteria-capable-of-eating-plastic-discovered-by-Indian-scientists.html
5.https://phys.org/news/2020-03-plastic-bags-bottles-microplastics.html
作者｜崔心偉
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編輯｜崔心偉