然而，塑料废弃物并非完全不受自然界的影响。细菌和其他微生物可以在其表面定植，形成被称为生物膜的群落。这些群落创造了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现在发现了一种不寻常的酶，这可能揭示了一些细菌是如何变得更善于分解某些类型塑料的。这种酶可以消化特定的聚酯和生物可降解塑料，但它还有另一种出人意料的能力：它还能分解青霉素，这表明它可能与抗生素耐药性有关。
科学家们将其戏称为“吃豆人酶”，因为它的分子结构具有一个极其宽阔的开口，这里是发生化学反应的地方，被称为活性位点。这一发现表明，细菌可能正在适应以比研究人员先前认为的更快的速度消化某些塑料材料。
然而，这些发现也凸显了一个重要的局限性。要让微生物在减少塑料污染方面产生实质性的影响，需要有更多的塑料产品由含有微生物可断裂化学键的生物可降解材料制成。
测试细菌如何分解生物塑料
为了研究微生物如何消化生物可降解塑料，康斯坦茨大学生物学家Harry Lerner和David Schleheck研究了微生物分解的整个过程。他们不仅想确定这些材料是否能被完全分解，还想确定是哪些微生物在其中起作用，以及是什么生物学机制使它们能够做到这一点。
研究人员检查了相关微生物群落的组成，并分析了它们的集体遗传信息（宏基因组）。这种方法使他们能够寻找可能产生能够断裂塑料聚合物的酶的基因。
他们的实验集中在长链脂肪族聚酯（LCAP）上，这是一类由化学家Stefan Mecking领导的研究团队开发的生物可降解塑料材料。这些材料含有某些微生物可能分解的化学键，这与许多传统塑料中更具抗性的结构不同。
这些合作成果发表在The ISME Journal上。
为了观察生物塑料在自然环境中的表现，该团队将样品埋在该大学植物园森林土壤的表层之下。
“我们将小块LCAP生物塑料薄膜埋在大学植物园森林的上部腐殖质层中，深度约十厘米，”Harry Lerner解释道。
“这一层是纤维素和其他天然聚合物（如角质——一种植物基聚酯）发生分解的地方。”
腐殖质是富含分解有机质的土壤上层，微生物在其中在循环营养物质方面发挥着主要作用。纤维素是植物细胞壁的主要结构成分，而角质是一种天然存在的聚酯，有助于形成植物的保护性外层覆盖物。
研究人员选择这种环境是因为其微生物已经具备分解复杂天然材料所需的生物机制。
生物塑料在大约一年内消失
除了户外实验外，科学家们还使用从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中，并在整整一年的时间里监测微生物活动。
一项重要的测量指标是样品释放的二氧化碳（CO2）量。当微生物消耗并代谢有机材料时，它们会通过呼吸作用产生二氧化碳。追踪这种气体帮助研究人员确定了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保留了整整一年，这使得研究团队能够将自然条件下的分解与受严密监测的实验室实验进行比较。
为了评估结果，科学家们还测试了纤维素、其他生物可降解塑料、传统聚乙烯塑料以及未添加材料的土壤样本。
“在实验室中，纤维素、其他类型的生物塑料（如PHBV和PCL）以及高密度塑料（HDPE）和未经处理的土壤被用作对照。我们发现所有生物塑料材料在大约250至330天内被完全降解。纤维素在约80天后分解，而HDPE几乎没有发生降解，”Lerner说。
差异非常显著。生物可降解塑料在大约九到十一个月内被完全分解，而传统的高密度聚乙烯几乎没有表现出任何分解。
这些结果说明了为什么塑料的化学成分如此重要。某些聚合物含有的化学键能够被微生物酶攻击，使细菌能够将其拆解成较小的分子。其他聚合物，包括广泛使用的聚乙烯，对生物降解的抗性要强得多。
神秘孔洞揭示细菌如何“吃”塑料
当研究人员从森林土壤中取出塑料薄膜时，他们发现了一些出乎意料的东西。
利用电子显微镜（它可以揭示普通光学显微镜下小得无法看到的结构），该团队检查了埋入材料的表面。他们发现了许多微小的孔洞，每个孔洞的尺寸和形状都与单个细菌细胞大致相符。
这种不寻常的图案表明，细菌不仅仅是附着在塑料上。它们似乎正在侵入材料本身。
“我们假设细菌表面包覆着锚定在其细胞表面的塑料解聚酶。这将使它们能够通过消化进入材料内部并嵌入薄膜中，从而留下正是这种类型的微小孔洞，”Lerner解释道。
解聚酶是一种将被称为聚合物的大分子分解成较小化学单元的酶。如果这些酶直接附着在细菌外部，它们就可以让微生物在与周围材料保持密切接触的同时将其消化。
这将有助于解释在塑料薄膜中观察到的微观空腔。细菌可能能够直接在其表面分解材料，而不是完全依赖释放到环境中的酶。
科学家鉴定出“吃”塑料的“吃豆人酶”
为了寻找这种不寻常行为背后的生物机制，Lerner从生活在土壤样本中的整个微生物群落中提取了DNA。
随后，他对遗传物质进行了测序，并仔细分析了大量数据，以确定随着生物塑料的分解，哪些微生物和基因变得尤为丰富。
有一个基因脱颖而出。它在含有LCAP的森林土壤中特异性地显著富集，表明它可能在分解这种生物可降解聚酯中发挥重要作用。
进一步分析表明，该基因产生一种酯酶，这是一种能够断裂酯类中某些化学键的酶。这些化学键存在于许多天然存在的物质以及各种生物可降解聚酯中。
让这种特殊的酶尤其有趣的是它在细菌细胞上的定位方式。
它的遗传指令包括一个引导酶到细胞外的分泌信号，以及一个将其牢牢固定在细胞膜上的脂质锚。
这种排列意味着该酶可以保持附着在细菌表面的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。
研究人员已经找到了他们一直在寻找的分子机制，以及他们命名为“吃豆人”的酶。
与抗生素耐药性的惊人联系
当科学家们检查该酶的分子结构时，这一发现变得更加引人入胜。
尽管它类似于以断裂酯键而闻名的酯酶，但它与另一个重要的细菌酶家族——β-内酰胺酶——也具有结构相似性。
这些酶因其在抗生素耐药性中的作用而闻名。一些细菌产生β-内酰胺酶，通过破坏抗生素化学结构中被称为β-内酰胺环的关键部分，使青霉素等抗生素失效。
“它的结构类似于酯酶，但也类似于β-内酰胺酶，后者是能够断裂某些抗生素（如青霉素）的β-内酰胺环，从而使细菌产生抗生素耐药性的细菌酶，”Lerner说。
实验室测试证实，这种新发现的酶能够执行这两种类型的化学反应。
它既能将聚酯链断裂成其单个结构单元（即单体），也能切断青霉素。
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独立的生物学功能。
这一发现提高了参与塑料分解的某些酶也可能促成抗生素耐药性的可能性。然而，证明一种酶在实验室中能够化学分解青霉素，并不能证明它能赋予活体细菌抗生素耐药性。
吃塑料的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，即微生物能多快适应引入其环境中的合成材料。
在地球历史的大部分时间里，塑料污染并不存在。微生物进化出酶来消化天然存在的物质，包括植物纤维和其他复杂的有机分子。
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是微生物无法利用的。
“塑料圈是我们环境中的一个新栖息地，”Schleheck解释道。
“人类将塑料大量引入环境大约只有50到75年的时间。从那时起，它在理论上就可以被微生物群落（如细菌、酵母菌和真菌）用作其生长的额外碳源和能源。我所说的‘理论上’，是指它们肯定非常愿意将塑料作为生长底物——但它们做不到，因为这些材料实际上是微生物代谢无法消化的，因此几乎不能被降解。”
“吃豆人酶”表明，这种障碍对于每种类型的塑料来说可能并非绝对的。
一些细菌似乎能够使用专门的酶来攻击生物可降解聚酯，这可能使它们能够利用这些材料作为能量和营养物质的来源。
对于研究塑料污染的科学家来说，这一发现为如何改善生物降解提供了一个有希望的线索。它还表明，微生物群落对某些合成聚合物的适应速度可能比先前预期的要快。
然而，这些结果并不意味着细菌突然能够消耗已经在环境中积累的大量传统塑料。实验表明，即使生物可降解塑料被分解，聚乙烯在很大程度上仍未受影响。
相反，研究人员强调了设计微生物能够实际消化的材料的重要性。
“我觉得这很令人鼓舞，因为细菌似乎能够比我们预期的更快地适应分解聚酯塑料。为了解决塑料污染的环境问题，我们人类需要利用微生物的能力。理想情况下，这将涉及只使用具有生化断裂点的聚合物，例如LCAP等聚酯或其他类型生物塑料中可水解的酯键，”Schleheck总结道。
这一发现让我们看到了一种可能更具可持续性的塑料生产方法的曙光。科学家可以开发出具有使生物回收成为可能的化学结构的塑料，而不是指望微生物去分解那些天然抗分解的材料。
“吃豆人酶”说明了细菌如何利用这些分子弱点，为塑料污染、微生物适应以及生物可降解材料的未来之间的关系提供了新见解。