森林土壤藏奇酵素 竟能「吃掉」塑膠？(圖)
微小的生命也擁有令人意外的能力。
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塑膠給人的印象向來是「難以消失」的材料，它可以在環境中長時間存在，逐漸破碎成微塑料，甚至是奈米塑料。德國康斯坦茲大學研究人員最近從森林土壤中發現一種令人意外的酵素，它竟然能夠分解某些聚酯與生物塑膠，更奇特的是同一種酵素還能裂解青黴素類抗生素。
它的活性中心十分開放，能夠接觸較大的分子鏈，研究團隊給它取了一個有趣的名字：「吃豆人酵素」。原本只是想看看森林土壤中的微生物能不能分解一種生物塑膠，最後卻意外找到了一種擁有特殊塑膠「分解能力」的酵素。
一塊塑膠 埋進森林一年
這場發現是在康斯坦茲大學植物園的森林，生物學家哈里・勒納與戴維・施萊赫克等研究人員，當時正在研究一種名為長鏈脂肪族聚酯的生物塑膠，希望了解森林中的微生物群落是否能將這種材料完全分解。
研究人員把小塊生物塑膠薄膜埋入森林上層腐植質下方10公分的位置，讓它長時間留在土壤中。這個位置並非隨意選擇，森林土壤中的纖維素，以及植物角質層這類天然聚合物，本來就在這一層環境中發生分解，因此研究人員希望藉此觀察生物塑膠在相同環境下會出現什麼變化。
同一時間，他們也在實驗室進行另一項試驗，把生物塑膠粉末混入相同的森林土壤樣本，持續觀察一年，並測量過程中產生的二氧化碳。由於微生物進行呼吸作用時會釋放二氧化碳，這些數據可以幫助研究人員判斷土壤中的微生物是否正在消耗這些材料。
一年後，不同材料的結果出現了相當明顯的差異。LCAP、PHBV與PCL等生物塑膠，大約在250至330天內完全降解，纖維素在大約80天後分解。至於高密度聚乙烯，幾乎沒有發生降解。這意味著，森林土壤中的某些微生物，確實能夠處理特定的塑膠材料。
塑膠薄膜上留下無數細小孔洞
研究人員把埋藏了一年的LCAP薄膜取回後，利用電子顯微鏡觀察材料表面，結果看見了一個奇特景象。原本完整的塑膠薄膜上，出現大量微米尺度的小孔，這些孔洞的大小與形狀，與單一細菌細胞相當。研究人員推測，細菌細胞表面可能附著著能分解塑膠的酵素。當酵素直接接觸材料時，可能會將塑膠逐步分解，細菌也因此在薄膜上留下這些細小孔洞。
為了確認究竟是哪一種酵素造成這些變化，研究團隊接著從森林土壤中的微生物群落提取並定序DNA。這項工作等於是在土壤裡龐大的微生物基因資料中尋找線索，究竟哪一個基因與LCAP的分解有關？最後一個特殊基因脫穎而出，它在含有LCAP的森林土壤中高度富集，所編碼的是一種酯酶。這種酵素帶有能將它引導至細菌細胞外部的訊號，同時還具有膜結合的脂質錨定結構，使它能夠固定在細胞表面，這種酵素的位置正好可以讓它直接接觸外部的塑膠材料。
為什麼叫「吃豆人酵素」？
接下來的實驗，讓這項發現更加令人意外。研究人員發現，這種酵素不只具有酯酶的特徵，其結構也與β-內酰胺酶具有相似之處。β-內酰胺酶是一類細菌酵素，可以裂解某些抗生素中的β-內酰胺環，例如青黴素，因此與細菌對部分抗生素的抗藥性有關。
新發現的這種酵素，竟然同時能作用於兩種看似截然不同的物質。實驗顯示，它能夠將聚酯分解成單體，也就是把長鏈聚合物拆解成基本分子單元。另一方面，它也可以裂解青黴素。這種雙重作用能力，成為研究團隊特別關注的地方。
研究人員進一步利用AlphaFold3建立酵素結構模型，並模擬PCL、LCAP以及抗生素氨芐青黴素與其活性中心的結合。模型顯示，這個酵素具有一個相當開放的活性中心，能夠容納較大的分子鏈。正因如此，研究團隊聯想到經典遊戲《吃豆人》裡張口吞食物體的形象，於是將它稱為「吃豆人酵素」。名字聽起來有些可愛，能力卻相當特別，它面對的並不是遊戲中的豆子，而是某些聚酯塑膠的長鏈分子。
不過，這項發現並不意味著塑膠從此都能被細菌輕易分解。研究中的結果已經顯示，不同材料之間存在非常明顯的差別。LCAP、PHBV與PCL等生物塑膠可以在實驗條件下逐漸降解，而HDPE幾乎沒有變化。「吃豆人酵素」真正令人驚訝之處不是它能夠把所有塑膠都消化，而是自然環境中的微生物，竟然存在能夠作用於特定聚酯材料的酵素。
研究人員也指出，塑膠進入環境後，微生物可以在其表面形成生物膜，形成一種被稱為「塑膠圈」的新型微生物棲息環境。不過，微生物能夠附著在塑膠上，並不代表它們都能將塑膠真正分解。
來源文獻與報導：
“細菌VIII家族酯酶展現雙重活性：水解聚酯生物塑料和β-內酰胺類抗生素”
作者：Harry Lerner、Diego Casaburi、Nele Charlott Meier、Léa Bernabeu、Marcel Eck、Stefan Mecking 和 David Schleheck，2026年9月2日，《ISME Journal》。 DOI
《SciTechDaily》