科学家发现可帮助降解聚氨酯基塑料的微生物

诸平

据Frontiers 2020年3月27日提供的消息，德国研究人员已经发现可帮助降解聚氨酯基塑料(polyurethane-based plastics)的微生物。众所周知，塑料污染已经成为当今社会环境污染问题中的老大难，也被称之为白色污染。笔者之前也曾经写过关于塑料回收利用的博文（将塑料废料转化为航空燃料的方法）。根据美国环境保护署(Environmental Protection Agency，EPA)的数据，2015年美国的垃圾填埋场接收了2600万t塑料，最新的统计数据可以直接浏览EPA网站。美国EPA利用美国化学委员会和美国聚对苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate, PET）容器资源协会的数据，来衡量塑料的回收利用。2015年回收塑料总量相对较少，为310万t，回收率为9.1%，但某些特定类型塑料容器的回收利用更为显著一些。2015年PET瓶回收率为29.9%，HDPE瓶回收率为30.3%。2015年美国城市生活垃圾塑料燃烧总量为540万t。这只是当年所有垃圾焚烧与能源回收总量的15.9%。2015年，美国的垃圾填埋场接收了2600万t塑料,占填埋场所有都市固体废物的18.9%。而且中国最近已经停止接受来自美国和加拿大的回收塑料。据科学家保守估计，全球每年至少有480万t塑料进入海洋。

2017年，美国的塑料产量为3537万吨，塑料废品占城市固体废弃物产量的13.2％。2017年美国回收塑料为300万吨，回收率仅有8.4％；但某些特定类型的塑料容器的回收利用比例相对较高一些。2017年PET瓶和罐的回收率为29.1％(较2015年有所下降)，HDPE瓶的回收率为31.2％（较2015年有所提升）。2017年城市固体废弃物中燃烧的塑料总量为560万t。占当年所有能源回收燃烧的城市固体垃圾总量的16.4％。2017年，美国垃圾填埋场收到了2680万t塑料废弃物(较2015年增加了80万t)，占美国所有垃圾填埋场总量的19.2％。美国1960～2017年塑料废弃物处置图示（Fig. 1）表明，塑料废弃物处置方法中填埋（Landfilled）是主要处理途径，以2017年为例，美国塑料产量为3537万t,废弃塑料填埋量为2682万t,塑料废弃物燃烧回收能源量总量为559万t，废旧塑料回收量为296万t。

图1美国1960～2017年塑料废弃物处置图示

2018年12月，英国其年度统计结果显示，塑料回收率仅有9%左右。每年沿海地区约有180亿磅的塑料废物流入海洋。全球塑料产量中约有四成是用于包装材料，但是，这些包装材料仅使用一次之后，然后被抛弃，成为塑料垃圾。

全球塑料生产行业分类统计结果见表1.

表1 全球塑料生产量（按行业进行分类）

（NGM STAFF. SOURCE: ROLAND GEYER, UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBAR）

平均塑料袋使用量，美国购物者每人每天使用一个，一年就需要消费365个塑料袋；但是丹麦每一位消费者每年只使用4个塑料袋。全球塑料生产量，1950年为230万t，2000年增加至25000万t,2015年全球塑料产量增加到44800万t。累计生产的塑料总量当中，有一半是2000年以来生产的。塑料回收利用率最高的是欧洲，可以达到30%；中国的塑料回收率为25%，塑料回收率最低的是美国，仅有9%左右。目前，世界原油中有8%用于生产塑料，但是到2050年用于塑料产生的油量比例预计将会达到20%。随着塑料产量的增加，废弃物也会随之增加，对环境带来的污染必然会更加严重。

德国研究人员在《微生物学前沿》（Frontiers in Microbiology）杂志上报告说，他们已经鉴定了一种能够降解某些聚氨酯化学结构成分的细菌——María José Cárdenas Espinosa, Andrea Colina Blanco, Tabea Schmidgall, Anna Katharina Atanasoff-Kardjalieff, Uwe Kappelmeyer, Dirk Tischler, Dietmar H. Pieper, Hermann J. Heipieper,  Christian Eberlein. Toward Biorecycling: Isolation of a Soil Bacterium That Grows on a Polyurethane Oligomer and Monomer. Front. Microbiol., Published: 27 March 2020. DOI: 10.3389/fmicb.2020.00404. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00404.

德国莱比锡UFZ赫尔姆霍茨环境研究中心（Helmholtz Centre for Environmental Research-UFZ in Leipzig）的高级科学家，也是上述论文的合作者Hermann J. Heipieper博士说：“这种细菌可以将这些化合物用作碳，氮和能量的唯一来源，这一发现代表了能够重用难以回收的PU产品的重要一步。”

2015年，仅聚氨酯产品就占欧洲塑料产量的350万吨。聚氨酯可用于冰箱，建筑，鞋类和家具以及可利用其轻质、绝缘和柔韧性的众多其他应用。

不幸的是，聚氨酯很难回收利用或分解，因为大多数这类塑料都是热固性聚合物，加热时不会熔化。废物大部分最终进入垃圾填埋场，在那里释放出许多有毒化学物质，其中一些具有致癌性。

利用细菌和真菌等微生物来分解油基塑料是一个正在进行的研究领域。但是，像目前的论文一样，很少有研究涉及聚氨酯的生物降解。

来自德国的研究小组成功分离出一种细菌，假单胞菌（Pseudomonas sp.），TDA1，来自一个富含脆性塑料废料的地方，显示出破坏组成聚氨酯塑料的某些化学键的潜力。

研究人员进行了基因组分析，以确定工作中的降解途径。他们初步发现了有助于微生物代谢塑料中某些化学物质以获取能量的因素。他们还进行了其他分析和实验，以了解此菌的功能。

亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）的克里斯蒂安·埃伯林（Christian Eberlein）博士说，这种特殊的菌株是一组细菌的一部分，这些细菌以对有毒有机化合物和其他形式压力的耐受性而闻名。他是论文的合著者，负责协调和监督这项工作。他说：“这种特性也被称为耐溶剂性（solvent-tolerance），是极端微生物的一种形式。”

这项研究是欧盟一项名为使用恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）合成生物学从塑料废物到塑料价值转化（From Plastic waste to Plastic value using Pseudomonas putida Synthetic Biology，P4SB）科学计划的一部分，该计划正在尝试寻找有用的微生物，这些微生物可以将油基塑料生物转化为可完全降解的微生物。顾名思义，该项目专注于一种称为恶臭假单胞菌的细菌。

除聚氨酯外，包括亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）在内的P4SB联盟也在测试微生物降解由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）制成的塑料的功效，该塑料已广泛用于塑料水瓶中。

Hermann J. Heipiepe博士说，有关假单胞菌（Pseudomonas sp.）TDA1的任何未来研究的第一步。TDA1将用于识别编码能够分解聚酯基聚氨酯中某些化合物的细胞外酶的基因。细胞外酶，也称为外切酶，是细胞外分泌的引起生化反应的蛋白质。

但是，目前尚无计划使用合成生物学技术生产生物塑料来改造这些酶或其他酶。例如，这可能涉及将细菌遗传转化为微型工厂，这些微型工厂能够将油基化合物转变为对地球友好的塑料可生物降解的化合物。

Hermann J. Heipiepe说，在科学家们能够实现技术和商业飞跃之前，需要更多的“基础知识”，如本研究中收集的知识。本研究只向前迈出了一小步。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。如新研究可能会改变我们的回收方式（New study could revolutionize the way we recycle）.