新型活体塑料助力塑料污染难题

大规模塑料垃圾的产生和不当的处理方式，使塑料污染成为当下最严峻的环境问题之一。8月21日，中国科学院深圳先进技术研究院研究员戴卓君团队在《自然—化学生物学》发表研究，研究团队通过对微生物进行基因编辑并产生具备极端环境耐受能力的孢子，使其可以在特定条件下分泌塑料降解酶，并通过塑料加工方法将孢子包埋在塑料基质中。

2016年，科学家发现了一种能够利用PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）作为碳源的细菌，其通过两种酶降解PET。后来，加州大学伯克利分校的研究人员开发了由四种单体合成的聚合物RHPs，这些单体能与目标蛋白表面相互作用，保护降解酶在塑料加工过程中的稳定性。然而，RHPs合成难度高，且对高温塑料加工环境的适应性有限。

长期以来，诸多微生物进化出了针对恶劣环境条件的抵抗力。当极端环境到来，不再适合生存和繁殖时，细菌会转变成孢子的形式。孢子可以忍受极端的干燥、温度和压力，这些极端环境恰好存在于塑料加工的环境中。

该研究中，戴卓君团队利用合成生物学方法，改造枯草芽孢杆菌，将可控分泌塑料降解酶的基因线路导入枯草芽孢杆菌，在二价锰离子的胁迫环境中，迫使枯草芽孢杆菌“休眠”，形成孢子形态。产生的孢子带有编辑的基因线路，相比细菌具备了针对高温、高压、有机溶剂和干燥的耐受性。

他们将工程化改造的孢子溶液与聚己内酯（PCL）塑料母粒直接混合，制备出性能稳定的“活”塑料。测试结果表明，研究团队发现“活”塑料与PCL普通塑料，在屈服强度、应力极限、最大形变量和熔点等参数上均没有显著区别。日常使用环境中, 孢子保持休眠状态，塑料也可保持稳定的使用性能。

研究发现，孢子被释放及激活后，活体塑料可以在6至7天内迅速降解，而传统PCL塑料则在21天后依旧剩余约40%的分子量。

此外，研究团队还验证了该系统的普适性，将带有绿色荧光质粒的孢子分别与聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯、聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯、PET进行混合加工。他们发现，即使从PET塑料中（加工温度为300摄氏度）释放出来的孢子依旧可以复苏并重新表达绿色荧光，为制作其他基底的活塑料奠定良好的基础。

研究团队还使用单螺杆挤出机进行了小规模工业化测试，发现活体的PCL塑料具有快速高效的降解效率。此外，研究人员将活体塑料置于雪碧环境中浸泡2个月，在没有外界作用的情况下，活体塑料能够保持稳定的外形和性质。

该研究为新型可生物降解塑料的开发提供了新视角和方法，有望助力解决当下严重的塑料污染困境。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41589-024-01713-2

研究示意图 科研团队供图