科学家发现一种能“吃掉”塑料的酶，它竟藏着一个惊人秘密

塑料垃圾并不是完全超出自然分解能力的。细菌和其他微生物可以在塑料表面定殖，形成被称为“生物膜”的群落。这些群落构成一个独特的微生物生态系统，科学家称之为“塑料圈”。康斯坦茨大学的研究人员发现了一种异常酶，可能揭示某些细菌如何变得更有能力分解某些类型塑料。这种酶能够消化特定聚酯和可生物降解塑料，但还有另一个意想不到的能力：它也能分解青霉素，提示可能与抗生素耐药性存在关联。科学家给它起了绰号“吃豆人酶”，因为它的分子结构有一个异常宽的开口，即化学反应发生的位置，称为活性位点。这一发现说明，细菌可能正在适应更快地消化某些塑料材料，比研究者之前认为的速度更快。

然而，研究结果也突出了一个重要限制。如果微生物要在减少塑料污染方面产生有意义的影响，就需要更多塑料制品由可生物降解材料制成，而且这些材料需要含有微生物能够拆开的化学键。

为了研究微生物如何消化可生物降解塑料，康斯坦茨大学生物学家哈利·勒纳和大卫·施莱赫克研究了微生物分解的完整过程。他们不仅想知道这些材料能否被完全分解，还想知道哪些微生物参与其中，以及使它们能够完成分解的生物学机制是什么。研究人员检查了参与分解的微生物群落组成，并分析这些群落的集合遗传信息，即宏基因组。通过这种方法，他们可以寻找可能编码能拆解塑料聚合物酶的基因。实验重点研究了长链脂肪族聚酯，简称LCAP，这是由化学家斯特凡·梅金牵头的研究团队开发的一类可生物降解塑料材料。与许多普通塑料中更抗降解的结构不同，这些材料含有某些微生物潜在能够分解的化学键。这一合作研究成果发表在《国际微生物生态学学会杂志》上。

为了观察生物塑料在自然环境中的表现，研究团队将样品放到大学植物园森林土壤表面以下。勒纳解释说：“我们在大学植物园森林中的上层腐殖质里埋入小块LCAP生物塑料薄膜，深度约十厘米。”这一层是纤维素和其他天然聚合物分解发生的场所，例如角质，一种植物来源的天然聚酯，就在这个环境中被分解。腐殖质是富含正在分解有机物质的土壤上层，微生物在养分循环中发挥重要作用。纤维素是植物细胞壁的主要结构成分，角质是一种天然存在的聚酯，帮助形成植物保护性外皮。研究人员选择这一环境，是因为这里的微生物已经拥有分解复杂天然材料所需的生物机制。

生物塑料在约一年内消失。除户外实验外，科学家还用同一森林采集的土壤进行了实验室测试。他们将粉末状生物塑料混入土壤，并监测长达一整年的微生物活动。一项重要测量是样品释放的二氧化碳量。微生物消耗和代谢有机物质时，会通过呼吸产生二氧化碳。追踪这种气体有助于研究人员判断微生物分解塑料的活跃程度。埋入的塑料薄膜在森林土壤中放置了整整一年，使团队能够比较自然条件下的分解和受控的实验室实验。为了评估结果，科学家还测试了纤维素、其他可生物降解塑料、普通聚乙烯塑料，以及未添加材料的土壤样品。勒纳说：“我们在实验室中使用纤维素、PHBV和PCL等其他生物塑料、高密度聚乙烯塑料以及未处理土壤作为对照。我们发现，所有生物塑料材料都在大约250至330天内被完全降解。纤维素在约80天后分解，而高密度聚乙烯几乎没有发生降解。”差异非常明显。可生物降解塑料在大约九到十一个月中被完全分解，而普通高密度聚乙烯几乎不分解。这些结果说明塑料的化学组成非常重要。某些聚合物含有微生物酶能够攻击的化学键，因此细菌可以把它们拆解成更小分子。另一些材料，包括广泛使用的聚乙烯，则对生物降解更抵抗。

神秘小孔揭示细菌如何吃塑料。当研究人员从森林土壤中取出塑料薄膜时，他们发现了意想不到的现象。电子显微镜能够揭示普通光学显微镜看不到的微小结构。团队检查了埋入材料的表面，发现许多微小孔洞，每个孔的大小和形状大致相当于一个单独的细菌细胞。这种不寻常的模式说明，细菌不只是附着在塑料表面，它们似乎在侵入材料本身。勒纳解释：“我们假设细菌表面附着有塑料解聚酶，这些酶锚定在细胞表面。这样，细菌就能一边消化一边钻入材料，并嵌入薄膜内部，留下这种微小孔洞。”解聚酶是一类酶，可以把称为聚合物的较大分子分解成更小化学单元。如果这些酶直接附着在细菌外表面，就可能让微生物在与塑料保持紧密接触的同时分解周围材料。这有助于解释塑料薄膜中观察到的微观空腔。细菌可能并不是完全依赖释放到环境中的酶，而是可以在自身表面直接分解材料。

科学家找到吃塑料的“吃豆人酶”。为了找出这种异常行为背后的生物机制，勒纳从土壤样品中的整个微生物群落提取DNA。随后，他对遗传物质进行测序，并仔细分析大量数据，以确定随着生物塑料分解，哪些微生物和基因变得特别丰富。其中一个基因特别突出。它在含有LCAP的森林土壤中被显著富集，说明它可能在降解这种可生物降解聚酯中发挥重要作用。进一步分析显示，该基因会产生一种酯酶，这是一种能够切开酯类中某些化学键的酶。这些化学键存在于许多天然物质中，也存在于多种可生物降解聚酯中。让这种酶特别有趣的是它在细菌细胞上的位置。它的基因指令中包括一个分泌信号，引导酶到细胞外，同时还有一个脂质锚，将它牢牢固定在细胞膜上。这种安排意味着，酶可以留在细菌表面，同时攻击附近的塑料分子。它异常暴露的活性位点也为酶与聚合物链相互作用提供了空间。研究人员因此找到了他们所寻找的分子机制，以及他们称为“吃豆人”的酶。

与抗生素耐药性的意外联系。当科学家检查这种酶的分子结构时，发现它更加有趣。虽然它像酯酶，而酯酶以分解酯键著称，但它也与另一类重要细菌酶，即β-内酰胺酶，具有结构相似性。这些酶因其在抗生素耐药性中的作用而广为人知。一些细菌会生成β-内酰胺酶，通过破坏抗生素化学结构中关键部分，即β-内酰胺环，使青霉素等药物失效，从而让细菌对某些抗生素产生耐药性。勒纳说：“它的结构既像酯酶，也像β-内酰胺酶，后者能够切开某些抗生素中的β-内酰胺环，从而让细菌对抗生素产生耐药性。”实验室实验确认，新发现的酶能够执行两类化学反应。它能把聚酯链拆成单个构建单元，即单体，同时也能切开青霉素。这种双重活性尤其令人惊讶，因为塑料降解和抗生素分解通常被认为是彼此分开的生物学功能。这一发现提出了一种可能：参与塑料分解的某些酶也可能助长抗生素耐药性。不过，在实验室中证明某种酶能够化学分解青霉素，并不等于证明这种酶能在活细菌中赋予抗生素耐药性。

吃塑料细菌能帮助解决塑料污染吗？这一发现也提出了一个更广泛的问题：微生物对环境中出现的合成材料适应速度究竟有多快。在地球历史的大部分时期，塑料污染并不存在。微生物演化出酶来消化天然存在的物质，包括植物纤维和其他复杂有机分子。现代塑料向环境中引入了大量新的潜在碳源，但其中许多材料在化学上仍然难以被微生物利用。施莱赫克解释说：“塑料圈是我们环境中的新栖息地。人类大约是在过去50到75年间才开始向环境中大量引入塑料。从那时起，理论上它就可以被细菌、酵母和真菌等微生物群落作为额外碳源和能量来源使用。所谓理论上，是说它们当然希望利用塑料作为生长底物，但实际上不能，因为这些材料对微生物代谢而言确实难以消化，因此几乎不会被降解。”“吃豆人酶”说明，对于每一种塑料而言，这一障碍未必绝对。某些细菌似乎能够利用专门酶攻击可生物降解聚酯，从而可能将这些材料作为能量和营养来源。对研究塑料污染的科学家而言，这一发现提供了有希望线索，说明生物降解可能如何被改善。它也表明，微生物群落可能正在比此前预期更快地适应某些合成聚合物。然而，结果并不意味着细菌突然能够消耗环境中已经堆积的大量普通塑料。实验表明，即使生物塑料在分解，聚乙烯仍然几乎未受影响。研究人员因此强调，设计微生物真正能够消化的材料非常重要。施莱赫克总结说：“我觉得这令人鼓舞，因为看起来细菌能够比我们预期的更快适应分解聚酯塑料。为了解决塑料污染的环境问题，人类需要与微生物的能力合作。理想情况下，应当只使用具有生化断裂点的聚合物，例如像LCAP或其他类型生物塑料这类聚酯中可水解的酯键。”这一发现预示了一种可能更可持续的塑料生产思路：与其期待微生物分解天然难以降解的材料，科学家可以开发具有便于生物回收化学结构的塑料。吃豆人酶展示了细菌如何利用这些分子弱点，也为理解塑料污染、微生物适应和可生物降解材料未来之间的关系提供了新见解。