出品：科普中國
作者：Denovo團隊
監制：中國科普博覽
塑膠的發明為我們的日常生活帶來了極大的便利。但是，大規模塑膠垃圾的產生以及不當的處理方式，使得塑膠垃圾也就是白色汙染成為當下最為嚴峻的環境問題之一。
白色汙染問題之所以難以解決，主要是石油基塑膠在自然界中需要上百年才能降解，造成土壤和環境的汙染。要想從源頭解決白色汙染，應該以可降解塑膠（如聚乳酸PLA）代替石油基塑膠。
為了加快可降解塑膠的降解速度，中國科學家發明了一種「活」塑膠，就是透過對微生物進行基因編輯使其產生具備極端環境耐受能力的芽孢，可以在特定條件下分泌塑膠降解酶，並透過塑膠加工方法將芽孢包埋在塑膠基質中。
日常使用環境中，芽孢保持休眠狀態，塑膠也可保持穩定的使用效能。只有在特定條件下（表面侵蝕、堆肥），塑膠中的芽孢才會被啟用並啟動降解程式，完成塑膠的完全降解。
透過改造芽孢編程可降解「活」塑膠
（圖片來源：參考文獻1）
不可降解塑膠
塑膠是一種人工合成的高分子材料，它的歷史可以追溯到19世紀末。到了20世紀中期，隨著石油化工工業的發展，塑膠的生產成本大幅降低，塑膠的套用範圍也進一步擴大，成為現代社會不可或缺的一部份。塑膠的廣泛套用也帶來了很多環境問題，隨處可見的白色汙染已經嚴重威脅到地球和人類的生存與發展。
為什麽塑膠降解如此艱難？因為塑膠是最近一百多年才出現的高分子聚合物，100年對人類來說可能不算短，但對大自然而言簡直就是彈指一瞬間，在這麽短的時間內自然界尚未前進演化出能夠快速降解這些「新玩意」的微生物。
據統計，傳統的石油基塑膠，例如，聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），降解時間都在百年以上。
各種塑膠降解需要的時間
（圖片來源：參考文獻2）
可降解塑膠
隨著白色汙染日益嚴重，人類也認識到問題的緊迫性，開始尋找石油基塑膠的代替品，中國也出台了許多政策來限制不可降解塑膠的使用，從「限塑令」到「禁塑令」。在這樣的背景下，可降解塑膠越來越受關註。石油基塑膠長達幾百年才能降解，對於人類來說基本上可以定義為「不可降解塑膠」。
有一類生物來源的高分子聚合物，由於自然界中存在能夠快速降解這些聚合物的微生物和酶，只需要一年不到的時間即可自然降解，因此被稱為「可降解塑膠」，如聚乳酸（PLA）、聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）、聚羥基脂肪酸（PHA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚碳酸酯（PCL）等。
目前使用可降解塑膠代替石油基塑膠已經成為國內外的發展趨勢，例如超市有償提供的可降解塑膠袋、餐飲行業的可降解塑膠吸管，以及醫院做手術用的可降解手術縫線（不需要拆線）等。
可降解塑膠袋
（圖片來源：veer圖庫）
提高可降解塑膠的降解速度
要想提高可降解塑膠的降解速度，增加降解酶的數量是關鍵，如果能夠將降解酶放到塑膠中，在塑膠廢棄的時候自動釋放出降解酶，透過酶來降解塑膠，就可以提高降解速度。不過如何把降解酶存到塑膠中，平時使用的時候不降解，而在廢棄的時候才啟動降解呢？科研工作者們想到了細菌的一個特殊結構——芽孢。
在自然億萬年的演化中，諸多微生物前進演化出了針對惡劣環境條件的抵抗力。當極端環境到來，不再適合生存和繁殖的時候，細菌就會轉變成芽孢的形式，這種轉變可以讓細菌獲得超強的抵禦能力。芽孢可以忍受極端的幹燥、溫度和壓力，而這些極端環境恰好存在於塑膠加工的環境中。
因此，中國科學院深圳先進技術研究院戴卓君團隊提出透過合成生物學方法改造枯草芽孢桿菌，將可控分泌塑膠降解酶（洋蔥霍爾德菌脂肪酶，Lipase BC）的基因路線匯入枯草芽孢桿菌，並在二價錳離子的環境中，迫使枯草芽孢桿菌「休眠」，形成芽孢形態。
產生的芽孢同樣帶有編輯的基因路線，並且相比於細菌還具備了針對高溫、高壓、有機溶劑和幹燥的耐受性。透過將基因工程改造的芽孢溶液與聚碳酸酯PCL塑膠母粒直接混合，透過高溫熔融擠出或者有機溶劑方法制備了一系列含有芽孢的塑膠。
在物理效能方面的各項測試中，「活」塑膠與PCL普通塑膠，在屈服強度、應力極限、最大形變量和熔點等參數上均沒有顯著區別。日常使用環境中，芽孢保持休眠狀態，塑膠也可保持穩定的使用效能。在不需要任何其他外源制劑的加入下，土壤環境中「活」塑膠能夠在25-30天以內就可被完全降解，而傳統可降解PCL塑膠則需要55天左右才能被降解至肉眼不可見。
為了驗證系統的普適性，研究人員繼續嘗試了其他的塑膠體系，將芽孢與PBS、PBAT、PLA、PHA以及PET等聚合材料進行混合加工，制備了相應的「活」塑膠。
「活」塑膠在土壤中的降解過程
a.「活」塑膠在土壤中30天即可完全降解；b.普通的PCL塑膠在土壤中55天完全降解
（圖片來源：參考文獻1）
研究人員還將「活」塑膠置於常見的碳酸飲料環境中浸泡2個月，在沒有外界作用的情況下，「活」塑膠能夠保持穩定的外形，說明活體塑膠能夠像傳統塑膠一樣使用，只有在它們被破壞或被廢棄的條件下，才會啟動降解程式。這項研究為新型可生物降解塑膠的開發，提供了新的視角和方法，有望助力解決當下嚴重的塑膠汙染困境。
結語
「活」塑膠的發明為解決白色汙染這一全球性難題提供了新的思路和解決方案。透過生物工程技術，科學家們成功地將微生物的自然前進演化優勢與現代材料科學相結合，創造出一種能夠在特定條件下自主降解的塑膠。這一創新成果不僅在理論上展示了可持續發展的可能性，也在實踐中為減少塑膠垃圾的環境影響帶來了切實的希望。
然而，「活」塑膠的推廣和套用仍需克服諸多挑戰，包括生產成本、技術成熟度以及大規模套用的社會接受度等問題。只有在科技進步與政策引導的雙重推動下，這一新型材料才能真正走向市場，成為應對白色汙染的利器。
未來，我們期待更多這樣的科技創新，從源頭上減少塑膠汙染，實作人與自然的和諧共生。讓我們共同努力，為保護地球環境貢獻力量。
參考文獻：
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2.Choi et al. Sustainable production and degradation of plastics using microbes. Nature Microbiology. 2023, 8, 2253–2276.
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