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【轉載】科學家找到了能“吃”塑料的細菌
發布日期:2016/3/16 13:20:39     作者:轉載    已有  閱讀過本文

科普 轉載 自網絡


塑料也許是最讓人驕傲又令人糾結的發明之一。這些輕便、結實、造價低廉的東西給人類帶來了極大的便利,卻也制造了幾乎同樣大的麻煩。2010年,光是192個沿海國家和地區產生的塑料垃圾就多達2.75億噸。大量難以降解的塑料垃圾,正在對環境和其他生物帶來不可磨滅的影響。


 得不到妥善處理的塑料垃圾正在造成日益嚴重的不良后果。圖片來源:harleymarine.com

科學家們一直在思考人們能為解決白色污染做些什么。生物學家們把目光投向了能力強大“分解者”:微生物們能像分解枯枝敗葉一樣消滅塑料嗎?最近,日本京都工藝纖維大學(Kyoto Institute of Technology)的科學家小田耕平(Kohei Oda)課題組發現了一種相當有潛質的微生物。他們的研究論文近日發表在最新一期的《科學》雜志上。

負責進行生物降解工作的主要群體是微生物,對它們來說,降解的主要目的是“填飽肚子”。種類繁多的微生物攜帶各式各樣的酶類,幫助它們從其他生物不需要的東西中獲得能量和營養。然而,白色污染卻是一個例外。許多常見的塑料是烴類在相當嚴格的條件下聚合的產物,它們的化學結構對于自然界來說是個新鮮玩意兒。怎么“吃掉”它們,也是讓微生物們很發愁的事。站在這個意義上說,你平時棄若敝屣的塑料袋,可是不折不扣的“科技結晶”。

要想找到可能“吃”塑料的細菌,不是一件容易的事。小田耕平的策略是:從塑料污染物密集的地區找找看。要知道,人餓急了可是什么都能吃。想在那些被白色污染占領的地帶生存,微生物也得相應地演化出一套本事吧?為此,研究者從一個塑料瓶回收點收集了250份被聚對苯二甲酸乙二酯(PET,塑料瓶的主要成分)污染的樣本,包括廢水、土壤等等。然后,他們將這些樣本與低密度PET薄膜混合在一起,試圖篩選出能以PET為主要碳源的微生物。

之后,第46號培養瓶里,研究者滿心期待的事情發生了。


 第46號培養瓶里裝著的并不是生命、宇宙以及任何事情的終極答案,但已足夠讓科學家們為之振奮。原圖來源:wikimedia.org

在這個培養瓶中的PET薄膜上,一個微生物群落正在逐漸滋長。顯微鏡觀察顯示,這是一個由細菌、原生動物和酵母樣細胞組成的“太歲”。隨著進一步分離培養,他們得到了利用這塊PET薄膜為群落輸送影響的幕后功臣:Ideonella sakaiensis。這是一種革蘭氏陰性的β-變形菌,具有降解PET薄膜的能力。它們附著的PET薄膜,在顯微鏡上出現大量的空洞。


 左圖為培養20天后的第46號樣本;右圖為培養第70天后被部分降解了的PET薄膜(右上角為完整時的PET薄膜狀態;比例尺為0.5mm)。圖片來源:參考文獻

為什么它們能夠分解PET薄膜?進一步的生化分析顯示,當這些細菌黏附在塑料薄膜上的時候,它們能夠分解一種被稱為PET降解酶的蛋白質將PET降解,再將降解后的產物運入體內進一步“消化”,最終轉化為乙二醇和對苯二甲酸——這兩種結構相對簡單的有機物,就是它們的營養來源了。而對于人類來說,乙二醇和對苯二甲酸是有用的工業原料,即使處理起來,也比處理讓人頭疼的塑料垃圾簡單得多。


 Ideonella sakaiensis
是怎么“吃掉”PET薄膜的。粘附在PET薄膜上的Ideonella sakaiensis會分泌出PET降解酶(PETase)將這些大分子聚合物降解為MHET單體,這些化合物會被轉運到細菌內部,并進一步分解為對苯二甲酸和乙二醇。圖片來源:參考文獻

盡管看起來,利用I. sakaiensis來降解PET似乎是很美好的事情。但情況可并沒有那么簡單。在小田耕平的實驗中,I. sakaiensis完全降解一塊小小的塑料薄膜需要六周的時間,這可算不上高效省時。對于科學家來說,這項研究最有價值的地方在于它告訴人們,自然界中酶類的演化速度可能比人類想象的要快。PET誕生至今不過短短70年,而自然界似乎早已有了應對之策。這些酶類究竟是怎樣出現的?人們的活動對它們施加了多大影響?要回答這些問題,人們可能需要從PET降解酶的結構和機制入手。而另一方面,如果我們能夠妥善利用Ideonella sakaiensis,并高效地處理和回收它們的產物,那么也許,在白色污染造成更嚴重的后果之前,我們手里又多了一張能打的牌。

(編輯:Calo)

參考文獻: Shosuke Yoshida, et al. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science 2016: Vol. 351, Issue 6278, pp. 1196-1199 DOI: 10.1126/science.aad6359 Uwe T. Bornscheuer, Feeding on plastic. Science 2016: Vol. 351, Issue 6278, pp. 1154-1155 DOI: 10.1126/science.aaf2853 文章題圖:參考文獻


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