塑料污染是现阶段人类所面临的一项重要环境问题。塑料制品数量巨大，增长速度惊人，且废弃率高，回收率低，即使回收也往往是降级循环。被随意丢弃的塑料制品不仅危害人类健康，还会破坏生态环境。动物误食塑料会死亡，填埋垃圾污染土壤和水体、焚烧垃圾污染大气等案例屡见不鲜，这些污染案例理应让我们敲响警钟。

图1 塑料污染

由于不同塑料产品化学组成不同，其生物降解方法也有所差异，下面介绍几种常见塑料的微生物降解案例^[1]。

聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate, PET)，被广泛应用于食品包装等领域，最著名的能够降解PET的细菌是2016年由Yoshida等^[2]分离出的细菌(Ideonella sakaiensis 201-F6)，它能够以PET为主要的碳源和能源，分泌两种酶将PET降解为环境友好单体。2020年，Sarkhel等^[3]从海水中分离得到降解PET薄膜的弧菌Vibrio sp.和曲霉 Aspergillus sp.，表明随着塑料污染日益严重，塑料降解菌的来源在不断扩展。

图2 塑料瓶废弃物被细菌和真菌菌株降解前后的SEM图像

聚乙烯(Polyethylene, PE)，根据其聚合程度有着多种用途。Sarker RK等^[4]发现的阴沟肠杆菌(E. cloacae AKS7)能够有效降解低密度聚乙烯(Low density polyethylene, LDPE)，且通过筛选AKS7的突变体，发现较高的细胞表面疏水性有利于生物膜形成，以增强对LDPE的降解能力。

图3 AKS7与LDPE孵育45天变化

聚苯乙烯(Polystyrene, PS)，具有较高的玻璃转化温度，常被用来制作一次性容器。研究发现一些动物幼虫能够以PS为食，这是因为幼虫肠道微生物的作用^[5]。

聚氨酯(Polyurethane，PUR)，其制品分为发泡制品和非发泡制品两大类，发泡制品多为泡沫塑料；非发泡制品包括涂料、粘合剂、合成皮革等。随着聚酯PUR的降解研究进展，科学家们发现一些细菌会分泌胞外酶对聚酯PUR起降解作用，包括酰胺酶和酯酶^[6]。

微生物降解塑料的宏观现象背后，存在着复杂的微观机理。2016年,Yoshida团队发现能降解PET的大阪堺菌后，对其展开了一系列的研究。

研究人员组装了大阪堺菌的基因组，发现一个开放阅读框(ISF6_4831)的编码与另一种具有PET水解活性的蛋白(Thermobifida fusca)有较高的相似性。研究人员将这段基因对应的蛋白(PETase)提纯后，与PET膜在30℃下共同培养，18h后，通过高效液相色谱分析产物的化学组成（图4 A），主要为MHET(单羟乙基对苯二甲酸酯)，此外还有少量的BHET(对苯二甲酸双羟乙酯)和TPA(对苯二甲酸)。因此，可以认为这段蛋白(ISF6_4831)可以水解PET和BHET，最终产生MHET。通过高效液相色谱分析在PET膜上培养的大阪堺菌的对照实验发现：培养13天后，上清液中MHET的含量仅占PET膜的损失质量的0.003%（图4 B）。因此，判断还有一种能够降解MHET的酶。最终推断的潜在机制如图所示（图4 C）^[2]。

图4 大阪堺菌降解PET机制的研究

英国朴茨茅斯大学的John McGeehan等人对大阪堺菌中的两种酶进行了深入研究，发现在两种酶同时工作时，MHETase的酶的转换数(turnover number)明显高于PETase，所以认为PETase是水解反应的限速步骤。为了进一步提高PET的降解速率，他们将两种酶连接，得到PETase+MHETase，在相同实验条件下，发现改造后的PETase+MHETase对PET的水解速率更快，约为单独作用时水解速率的三倍^[7]（图5）。改造取得了初步成功。

图5 PETase, MHETase和PETase+MHETase对PET, MHET降解对照实验

目前，大阪堺菌已经进入了试验应用阶段。法国的CARBIOS公司研发C-ZYME技术，以酶为基础，将PET降解为新的核心单体，这些单体可用于制造100%可回收后循环利用的PET，且回收速度极快——97%的塑料可在16小时内分解。

图6 C-ZYME技术示意图

2019年，CE-PET项目开始实施。同年，公司科研团队从废塑料中提取rPTA，生产出第一批完全生物降解的PET瓶；2020年，成功从纺织废料中提取rPTA并生产出PET瓶，且成功用酶从PET塑料废料中提取出完全可回收rPTA，生产出可应用于纺织的PET纤维。

初步成功后，该公司计划在法国建造一个试点工厂。该工厂预计每年将处理约50000吨PET废物，相当于20亿个PET塑料瓶或25亿个PET塑料托盘。与此同时，公司计划与世界知名企业合作，共同掀起一场可持续包装领域的革命。

图7 CARBIOS在建的试点工厂