森林土壤藏奇酵素 竟能“吃掉”塑胶？(图)
微小的生命也拥有令人意外的能力。
（图片来源：tilialucida/stock.adobe.com）
塑胶给人的印象向来是“难以消失”的材料，它可以在环境中长时间存在，逐渐破碎成微塑料，甚至是纳米塑料。德国康斯坦兹大学研究人员最近从森林土壤中发现一种令人意外的酵素，它竟然能够分解某些聚酯与生物塑胶，更奇特的是同一种酵素还能裂解青霉素类抗生素。
它的活性中心十分开放，能够接触较大的分子链，研究团队给它取了一个有趣的名字：“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种生物塑胶，最后却意外找到了一种拥有特殊塑胶“分解能力”的酵素。
一块塑胶 埋进森林一年
这场发现是在康斯坦兹大学植物园的森林，生物学家哈里・勒纳与戴维・施莱赫克等研究人员，当时正在研究一种名为长链脂肪族聚酯的生物塑胶，希望了解森林中的微生物群落是否能将这种材料完全分解。
研究人员把小块生物塑胶薄膜埋入森林上层腐植质下方10公分的位置，让它长时间留在土壤中。这个位置并非随意选择，森林土壤中的纤维素，以及植物角质层这类天然聚合物，本来就在这一层环境中发生分解，因此研究人员希望借此观察生物塑胶在相同环境下会出现什么变化。
同一时间，他们也在实验室进行另一项试验，把生物塑胶粉末混入相同的森林土壤样本，持续观察一年，并测量过程中产生的二氧化碳。由于微生物进行呼吸作用时会释放二氧化碳，这些数据可以帮助研究人员判断土壤中的微生物是否正在消耗这些材料。
一年后，不同材料的结果出现了相当明显的差异。LCAP、PHBV与PCL等生物塑胶，大约在250至330天内完全降解，纤维素在大约80天后分解。至于高密度聚乙烯，几乎没有发生降解。这意味着，森林土壤中的某些微生物，确实能够处理特定的塑胶材料。
塑胶薄膜上留下无数细小孔洞
研究人员把埋藏了一年的LCAP薄膜取回后，利用电子显微镜观察材料表面，结果看见了一个奇特景象。原本完整的塑胶薄膜上，出现大量微米尺度的小孔，这些孔洞的大小与形状，与单一细菌细胞相当。研究人员推测，细菌细胞表面可能附着着能分解塑胶的酵素。当酵素直接接触材料时，可能会将塑胶逐步分解，细菌也因此在薄膜上留下这些细小孔洞。
为了确认究竟是哪一种酵素造成这些变化，研究团队接着从森林土壤中的微生物群落提取并定序DNA。这项工作等于是在土壤里庞大的微生物基因资料中寻找线索，究竟哪一个基因与LCAP的分解有关？最后一个特殊基因脱颖而出，它在含有LCAP的森林土壤中高度富集，所编码的是一种酯酶。这种酵素带有能将它引导至细菌细胞外部的讯号，同时还具有膜结合的脂质锚定结构，使它能够固定在细胞表面，这种酵素的位置正好可以让它直接接触外部的塑胶材料。
为什么叫“吃豆人酵素”？
接下来的实验，让这项发现更加令人意外。研究人员发现，这种酵素不只具有酯酶的特征，其结构也与β-内酰胺酶具有相似之处。β-内酰胺酶是一类细菌酵素，可以裂解某些抗生素中的β-内酰胺环，例如青霉素，因此与细菌对部分抗生素的抗药性有关。
新发现的这种酵素，竟然同时能作用于两种看似截然不同的物质。实验显示，它能够将聚酯分解成单体，也就是把长链聚合物拆解成基本分子单元。另一方面，它也可以裂解青霉素。这种双重作用能力，成为研究团队特别关注的地方。
研究人员进一步利用AlphaFold3建立酵素结构模型，并模拟PCL、LCAP以及抗生素氨芐青霉素与其活性中心的结合。模型显示，这个酵素具有一个相当开放的活性中心，能够容纳较大的分子链。正因如此，研究团队联想到经典游戏《吃豆人》里张口吞食物体的形象，于是将它称为“吃豆人酵素”。名字听起来有些可爱，能力却相当特别，它面对的并不是游戏中的豆子，而是某些聚酯塑胶的长链分子。
不过，这项发现并不意味着塑胶从此都能被细菌轻易分解。研究中的结果已经显示，不同材料之间存在非常明显的差别。LCAP、PHBV与PCL等生物塑胶可以在实验条件下逐渐降解，而HDPE几乎没有变化。“吃豆人酵素”真正令人惊讶之处不是它能够把所有塑胶都消化，而是自然环境中的微生物，竟然存在能够作用于特定聚酯材料的酵素。
研究人员也指出，塑胶进入环境后，微生物可以在其表面形成生物膜，形成一种被称为“塑胶圈”的新型微生物栖息环境。不过，微生物能够附着在塑胶上，并不代表它们都能将塑胶真正分解。
来源文献与报导：
“细菌VIII家族酯酶展现双重活性：水解聚酯生物塑料和β-内酰胺类抗生素”
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》