土肥義治
理化學研究所名譽研究員/
東京工業大學名譽教授
2017年起擔任未來社會創造專案領域營運會議委員
環境省制定新的基本計劃
同時改變「入口」和「出口」
日本每年大約生產1000萬噸塑膠應用於多種用途，但這些塑膠大部分都是以化石燃料爲原料的。因此，大量消耗化石燃料所導致的大氣中二氧化碳（CO2）濃度逐漸升高，對地球環境的影響令人擔憂。另外，排放到環境中的塑膠不會降解，而是殘留在海洋和河流中，對生態系統產生長期影響。最近，作爲解決這些課題的對策，「生物塑膠」開始受到關注。
生物塑膠是以植物等生質爲原料的「生質塑膠」和可以被微生物降解的「生物降解塑膠」的總稱（圖1）。可以說，生質塑膠是着眼於原料「入口」的稱呼，而生物降解塑膠是着眼於生物降解性這一「出口」的稱呼。生質塑膠不一定具有生物降解性，同樣，生物降解塑膠也可能包括來自於化石燃料的塑膠。
因此，塑膠問題必須改變「入口」和「出口」才能得到解決，日本政府也在推動塑膠向生物塑膠的轉換。2019年環境省制定了《第4次循環型社會形成推進基本計劃》，規定2030年之前日本要生產相當於目前塑膠年產量20％的約200萬噸生質塑膠。
圖1：生物塑膠概要圖。生物塑膠分爲生質塑膠和生物降解塑膠兩種。原料爲生質的塑膠稱爲生質塑膠，使用後可以降解的塑膠稱爲生物降解塑膠。如果能製造出以生質爲原料的生物降解塑膠，就可以實施從入口到出口的反復循環，能進一步降低環境負擔。
契機源於「被遺忘的聚合體」
發現製造塑膠的微生物
被認爲今後需求會進一步增加的生物降解塑膠的研究先驅之一，是理化學研究所的名譽研究員土肥義治。土肥1984年就任東京工業大學化學環境工學專業（當時）副教授時，塑膠廢棄物已成爲嚴重的社會問題。他希望利用聚合物的研究成果解決環境問題，所以選擇將塑膠的回收利用作爲研究主題。另外，土肥喜歡海釣，平時就擔心不能在自然界降解的塑膠漁線會傷害海洋生物也是其選擇該研究主題的終極因數之一。
當他開始研究塑膠的回收利用時震驚地發現，自然界存在可以在活體內合成常見的化學纖維聚酯的微生物。他回憶當時的情景說：「我的專業是化學合成，（瞭解到存在這種微生物後）我覺得也許能實施可以由微生物利用生質原料進行生物合成，製作出具有生物降解性的生質塑膠，這樣就同時涵蓋了入口和出口」。於是土肥大幅轉換研究方向，開始研究生物降解塑膠。
在閱讀以往的文獻時，土肥發現了名爲PHA（聚羥基烷酸酯）的立體規律性聚合體（圖2）。這是1920年代就發現存在於微生物中的一種「被遺忘的聚合體」。土肥以此爲線索展開研究，1987年發現了從硬塑膠到軟橡膠均可合成的微生物。他介紹當時的情景說：「報紙上也開始介紹我們的研究。在此之前，即使在學會上發表也很少有人聽，幾乎沒有受到過關注」。
圖2：PHA的化學分子式
長達25年的聯合研究
成功實施PHBH量產
土肥和化學企業鍾化爲了以生產效率比糖更高的植物油爲原料製造高性能PHA，於1989年開始開展聯合研究。首先從鍾化的植物油工廠周邊的土壤中探索了可以合成PHA的新微生物。土肥預測：「鍾化擁有經營植物油、人造奶油和魚油等的食品業務部門，其工廠周邊的土壤中可能會有以植物油爲原料的微生物」，不出所料，1991年鍾化發現了可以合成PHBH（3-羥基丁酸酯-co-3-羥基己酸酯）的新型微生物（圖3）。
圖3：PHBH的化學分子式
研究發現，透過改變BH的成分可以調整PHBH的結晶度，具有容易模製且結實耐用等適合製作塑膠的特點，所以受到了高度期待，但也存在課題。土肥介紹說：「微生物合成聚合物並儲存在活體內的行為類似於人類儲存皮下脂肪。因此，最多隻能儲存佔菌體重量約30％的量。這種效率很低，無法實用化」。於是，在進入理化學研究所之後的1996年，土肥利用轉基因技術，成功培育出了可儲存佔菌體重量近90％ PHBH的微生物（圖4）。
圖4：微生物在活體內儲存PHBH程序的顯微鏡照片。在微生物細長的活體內，看起來像圓形顆粒的就是PHBH。爲防止捱餓，微生物會在活體內儲存塑膠作爲營養源。（供圖：鍾化）
這是個突破性進展，讓土肥與鍾化重新起動了一度中斷的聯合研究。2009年利用JST的委託發展專案，實施了在體積比實驗室大10萬倍的巨大培養槽中培養微生物的生產驗證實驗。最終結合基於聚合物技術的化學力量和基於發酵技術的生物技術力量，確立了從微生物中僅分離和提煉PHBH的工序。
2011年PHBH的年產量達到1000噸，2014年實施了實用化（圖5）。土肥表示：「自開展聯合研究以來已經過去25年。走到今天這一步經歷了很多困難，但鍾化始終沒有放棄這個專案，對此我表示由衷的感謝。現在年產量已經增加到5000噸，計劃在幾年内增加到2萬噸，最終目標是每年生產10萬噸」，可以看出土肥對未來的隊形變換充滿期待。
圖5：鍾化開發的PHBH產品。今後用途有望逐漸擴大。（供圖：鍾化）
土肥與鍾化共同開發出來的PHBH生質塑膠作爲可以由微生物利用生質原料進行生物合成，而且具有生物降解性，同時涵蓋「入口」和「出口」，在海外也得到了利用。土肥取得的這些成就得到身份鑑定，2019年獲得了一般社團法人生物產業協會主辦的第三屆生物產業獎。今後在日本使用PHBH產品的機會可能也會增加。
降解性能因環境而異
構建新的循環系統
平石 知裕
理化學研究所 環境資源科學研究中心
專任研究員
2019年當選未來社會創造專案的研發代表
阿部 英喜
理化學研究所 環境資源科學研究中心
生物塑膠研究團隊
團隊組長
目前接替土肥繼續操作開展研究的，是理化學研究所環境資源科學研究中心的阿部英喜組長所帶領的生物塑膠研究團隊。阿部等人正致力於利用化學和生物學方法從植物生質中合成新的功能性生質聚合體。作爲研究内容之一，團隊成員平石知裕專任研究員正挑戰開發適合各種環境的生物降解塑膠。目標是透過製造可在各種環境下按預期降解的塑膠，構建以生物降解塑膠爲中心的新循環系統。生物降解塑膠最終會被微生物徹底降解成二氧化碳，迴歸自然。由此可以形成二氧化碳透過光合作用被植物吸收，然後再利用植物製造生質塑膠的循環。
爲此，首先需要明確塑膠在各種環境中是如何降解的。雖然說「生物降解性很高」，但其降解程度也因環境和塑膠的種類而有很大的差異。尤其是能在海水中顯示出高生物降解性的塑膠，目前只有PHBH等極少一部分（圖6）。平石介紹說：「生物降解塑膠是被土壤、河流及海洋等自然環境中存在的微生物分泌的酶降解的。如果能明確哪種塑膠在每種環境下以什麼樣的機制降解，就可以設計出適合各種環境的生物降解塑膠」。
圖6：在海水環境中顯示出高生物降解性的PHBH。逐漸被微生物降解的程序。
着眼於與酶的反應
推斷降解機制
過去傳統採用的方法是測量微生物降解塑膠時消耗的氧氣量（BOD），或者利用核磁共振裝置等來分析殘留塑膠的結構。這些方法無法直接觀察微生物和酶實際降解塑膠的情況。認爲降解酶掌握着生物降解性的關鍵的阿部和平石等人着眼於塑膠與降解酶的化學反應，「由此逐漸明確了塑膠與降解酶的反應機制」（阿部）。
研究團隊基於這些研究成果，化學合成或生物合成了各種生物降解塑膠，並對其生物降解性進行了評估。由此發現，不同塑膠的生物降解性在不同環境下有很大的差異。另外還發現，即使是同一種塑膠，基於酶的降解性能和在自然環境中的降解性能也未必相同。
塑膠的生物降解程序預計分爲6個階段（圖7）。具體而言如下，首先微生物會附着到塑膠表面，微生物分泌的酶會降解塑膠，微生物以降解塑膠獲得的產物爲營養源進行增殖並形成菌落，其中會新附着一些不會降解塑膠的細菌，可以形成更大的菌落，同時還會形成覆蓋菌落的生物膜。
圖7：塑膠的生物降解程序被認爲主要分6步。①微生物（降解菌）附着到塑膠表面。②微生物分泌降解酶。③酶降解塑膠。④微生物以降解產物爲營養源進行增殖。⑤微生物聚集形成菌落。⑥菌落中附着其他非降解菌等，形成覆蓋菌落表面的生物膜。
平石強調說，僅着眼於塑膠與降解酶之間的反應機制還不夠。他表示：「還需要詳細分析在實際的自然環境中是以什麼爲誘因表達生物降解性的」。
確立即時分析方法
正在開發適合漁業用具的材料
因此，研究團隊又開始開發不同於過去那樣單獨分析生物降解程序，而是在與自然環境相同的狀態下即時進行觀測的方法。爲此新導入了全面調查在各個程序中哪些微生物透過哪些酶發生降解反應的組學分析法，以及測量代謝產物如何被微生物利用的同位素標記法等，推進了各個程序的即時測量。平石強調說：「如果能用這種測量法明確自然環境下的生物降解機制，就可以更準確地評估生物降解性。我們還打算用於塑膠的設計」。
目前阿部等人還在針對已引起海洋污染問題的漁線和漁網用途開發兼具穩定性和生物降解性的生物降解塑膠。他介紹說：「需要具備在使用期間結實耐用，但經過一定的時間後或者環境發生變化時能迅速進行生物降解的性質。但二者屬於此消彼長的關係，提高生物降解性就會降低材料穩定性」，開發難度比較大。目前還在研發僅在鹽度、溫度、壓力和酸度等發生變化時才開始進行生物降解等具備某種開關功能的生物降解塑膠。
生物降解塑膠的研究已經進行了約40年。這項由土肥開始，後被阿部和平石接棒的研究如今在世界潮流的推動下頗有大放異彩之勢。從基礎和應用兩方面推進的研究未來可能也會催生出各種循環型生物降解塑膠。三位科學家今後將繼續操作朝着實施低碳社會的方向穩步前進。
文：JSTnews 2021年7月號
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
