第269期

消滅白色汙染 吃塑膠的蟲

科學家找到了一種專門「吃塑膠」的蟲,透過生物科技,也許能解決塑膠為環境造成的傷害,並帶來改善的可能。

消滅白色汙染 吃塑膠的蟲

王沛軒

生活中充斥著許多塑膠製品,但你有沒有想過,這些塑膠在進入垃圾桶後,最終到底又去了哪裡?

塑膠,人人所知的環境殺手、世紀遺毒,在自然的情況下,需要花至上百年的時間才能完全分解,使它曾在2010年被美國時代雜誌評為前五十項最糟糕的發明之一。2017年4月,科學家Paolo Bombelli、Christopher J. Howe和Federica Bertocchini在他們的研究論文中指出,他們發現了一種專門「吃塑膠」的蟲,稱之為蠟蟲;更令科學界意外的是,這些蠟蟲所「吃」的塑膠,竟是塑膠種類之中性質相當穩定的「聚乙烯」。

究竟是什麼特異功能,讓這隻蟲能將聚乙烯吃下肚?這隻蟲的發現又能為環境帶來多大的改善?讓我們透過本篇報導來一探究竟。

蠟蟲。(圖片來源/國家地理雜誌

塑膠材質大不同 影響分解難易度

目前世界通用的塑膠材質辨識碼共有七種,依據它們組成的聚合物種類而分類,不同的組成物質也影響了分解難易度。這些辨識碼的數字外都會有一個三角形循環標示,代表它們可被回收。雖然標誌說明著塑膠可以被回收,但並不代表塑膠就能透過「回收」而被分解,也就是說,這些從石油合成的人工聚合物,若回收,只能繼續被製作成塑膠;若不回收,在大自然中也僅能被「裂解」,而非分解。

然而,科學家發現塑膠能被分解並非首次。2016年時,就有一群日本科學家研究發現一種可以「吃」掉寶特瓶的細菌,根據塑膠材質辨識碼分類,製作寶特瓶的塑膠主要是聚對苯二甲酸乙二酯(簡稱PET),由分子式來看,PET塑膠是一種帶有官能基(如苯、氯、酯基......等)的聚合物,根據化學原理,帶有官能基的物質,其化學性質一般來說會比較不穩定,也比較容易與其他物質進行反應。所以,在這個研究中,只要細菌能破壞PET相互鍵結的官能基,那麼要分解寶特瓶並非難事。

但這次,Paolo Bombelli所發現的這種蠟蟲,它能降解的塑膠為聚乙烯。聚乙烯在外觀上呈現白色半透明,從分子式看,為一種長碳鏈的聚合物。沒有官能基,使得它的化學性質相當穩定,也表示這個分子非常不容易破壞,並很能抵抗生物降解。正因它過於穩定且並非為自然中可以輕易分解的物質,使得聚乙烯也成為「白色環境汙染」(即塑膠汙染)中的最大兇手。

聚對苯二甲酸乙二酯(PET)與聚乙烯(PE)的比較。(圖片來源/王沛軒製,資料來源/ 維基百科
 

生物降解塑膠之謎 推測為氧化作用

既然聚乙烯的性質如此穩定,是麼原因使得蠟蟲得以將它分解?

關於這點,目前研究團隊尚未尋找出是什麼樣的蛋白質酶作用,讓蠟蟲有「吃」塑膠的能力。但根據國立交通大學生物科技學系教授蘭宜錚的分析推測,若要分解聚乙烯這個物質,必須透過氧化反應,藉由氧化力極強的氧化劑──通常是氧氣,直接施以能量去破壞聚乙烯的長碳鏈,將碳鏈斷開,使它產生氧化,並與氧氣結合後轉變為乙二醇(俗稱甘醇,為一種不傷害環境的物質);且研究目前也證實,藉由蠟蟲體內的反應,能將聚乙烯降解成乙二醇,讓推測更具說服力。

聚乙烯氧化反應。(圖片來源/王沛軒製)

由上圖中可以看到,長碳鏈的聚乙烯,在與富含氧氣的催化酶進行反應後,使得氧(O2)與聚乙烯中的氫(H)結合成為羥基(OH),並於反應後產出乙二醇,藉由不斷的進行反應,最終達到分解聚乙烯的成果。因此推測,在蠟蟲的體內,可能有一種富含氧氣能量的酵素,才使得蠟蟲能有氧化聚乙烯的能力,蘭宜錚推測,此酵素可能為現今已知的加氧酶(Oxygenase)或羥化酶(Hydroxylase),但也可能是還沒發現的新蛋白質酵素。

在研究論文中也指出,蠟蟲之所以能分解聚乙烯,可能跟牠們原先的生存環境有關。蠟蟲通常寄生於蜂巢中,以蜂蠟為食;由於蜂蠟也是一種長碳鏈化合物,因此推測,這些蠟蟲可能早已習慣利用長碳鏈化合物,才會誤將聚乙烯作為蜂蠟分解。


解決白色汙染有望? 蠟蟲的永續效益 

那麼,蠟蟲的發現真的能為塑膠汙染帶來新希望嗎?關於這點,可以從幾個不同的角度來看。

首先是經濟效益,進行生物工程的研究需要耗費大量的金錢、時間,與人力資源,且實驗成果也充滿著未知,更需承擔研發成本與實際效益無法平衡的風險,種種原因往往令研究者卻步;另外,由於聚乙烯是一種非常便宜的材料,使得它得以快速的大量製造,並迅速地充斥生活之中,用高成本生物降解的方式處理廉價的塑膠顯然違反了平常的經濟原則。

再來是從蠟蟲吃塑膠這件事的現實面考量,在論文中的結果顯示,12小時的實驗裡,平均100隻蠟蟲就能吃掉92毫克的塑膠袋;換算一下,一個5.48克的便利商店中等塑膠袋,則需要100隻蠟蟲花上大約29天的時間,才能完全分解。得確地,蠟蟲的分解速率遠遠低於人類丟棄塑膠的速率。

但是對於生物工程師而言,這卻是一項很有潛力的發展技術,且生物降解技術與當今所追求的「永續」議題相吻合,也是所有科學家一致努力的目標。

「就生物方面來說,這是一個很有趣的現象。」蘭宜錚表示,「我們或許可以強化這個酶,或是讓細菌帶有酵素,提高它分解的速率,或是讓它能合成出其他高價值的元素,那這件事情就會有經濟效益,就像當初科學家研發胰島素一樣。」

國立交通大學生物科技學系教授蘭宜錚。(圖片來源/王沛軒攝)

由於蠟蟲是生物體,基因組合也較為複雜,就現階段的研究發現而言,若要尋找出作用於蠟蟲體內的蛋白質酵素,以及酵素的反應機制,最快還需要二至三年的時間;再透過五至七年的生物工程時間,才能將蠟蟲體內的酵素利用工程的方式,將反應後所產生的乙二醇轉換成更具經濟利益的產物。

這項研究發現對生物降解技術提供了一個機會,但若是想要消滅白色汙染,最根本的方法還是要從塑膠減製、減量使用,並同時研發這些新的生物降解技術,多管齊下,才能真正解決塑膠汙染與環境問題。

記者 王沛軒
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編輯 簡嘉瑩
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記者 王沛軒
編輯 簡嘉瑩