東京大學研究生院農學生命科學研究科特任助教黃秋源、教授岩田忠久，海洋研究開發機構主任研究員磯部紀之、上席研究員野牧秀隆，群馬大學研究生院食健康科學研究科教授粕谷健一等人組成的研究團隊，把能夠分解生物可降解塑膠的天然來源降解酵素提前摻雜塑膠中，成功地開發出了使塑膠在從淺水到深海的各類海洋環境中都能被生物降解的新技術。這一創新思路能夠讓材料保持與原有塑膠同等的強度和柔韌性的同時，即使材料沉降、擴散到低溫、高壓的深海，也能維持生物降解力，並大幅加快生物降解速率。相關研究成果已發表於期刊《Nature》。
圖1 內嵌酵素生物可降解塑膠的製備以及在深海中降解的薄膜（圖片提供：東京大學，圖中照片：JAMSTEC）
目前，全球塑膠年產量約為4億噸，每年或有約800萬噸塑膠垃圾流入海洋。聚乙烯、聚丙烯等通用塑膠無論在山地、河流、湖泊還是海洋等環境中，都需要300到400年以上才能分解。在這樣的背景下，目前業界迫切希望開發出能夠在各類自然環境中藉助微生物作用徹底分解為二氧化碳和水的生物可降解塑膠。
圖2 設置於深海(A)及海岸(B)的無內嵌酵素和有內嵌酵素生物可降解塑膠的重量減少率。請注意，深海與岸壁的樣品放置時間不同。（圖片提供：東京大學）
2024年研究團隊在世界上首次揭示，多種生物可降解塑膠可在水深757米至5552米的深海海底被微生物降解。但研究同時發現，除聚羥基烷酸酯（PHA）之外，其他生物可降解塑膠在深海中的降解速率非常慢，即便是降解較快的材料，完全降解也需要數年。研究團隊還分析了放置在深海的塑膠薄膜表面附著的微生物菌群，結果顯示，並非所有海域都存在能夠降解各類生物可降解塑膠的微生物。
在本次研究中，研究人員把天然來源的降解酵素摻雜了生物可降解塑膠，開發出一種即使在深海這類降解微生物稀少的極端環境中，也能快速被生物降解的內嵌酵素的生物可降解塑膠。
開發的內嵌酵素生物可降解塑膠薄膜（4公分×4公分×100微米）和微珠（直徑20至200微米），是在高於各材料熱軟化點的溫度下，將兩種天然降解酵素（角質酵素、脂肪酶）與四種生物可降解塑膠（PBS、PBSA、PCL、PBAT）摻合製備而成的。
研究團隊藉助有人潛水器「深海6500」，把有內嵌酵素的生物可降解塑膠、無內嵌酵素的生物可降解塑膠和通用塑膠放置在4處水深不同的深海（757米至5503米），時間為3個月到18個月，並分析樣品的重量、形狀變化以及表面附著的微生物。與此同時，研究人員還在海洋研究開發機構附近漂浮塑膠垃圾較多的東京灣岸邊（神奈川縣橫須賀市，水深約2至6米）放置了同樣的樣品，比較兩者的降解速率。
結果證實，在所有深海點位，與無內嵌酵素的薄膜相比，有內嵌酵素的生物可降解塑膠薄膜降解速率都有所加快。其中，放置在神奈川縣三崎外海深海（水深757米）5個月的PBS、PBSA、PCL三種內嵌酵素薄膜幾乎完全降解。考慮到在無內嵌酵素的情況下，薄膜重量減少率最多也僅有3.4%，由此可看出內嵌酵素薄膜的降解速度快得驚人，約為前者的30倍。這一結果證實，即使在低溫（4℃）、高壓（7.6MPa）的深海極端環境下，內包在塑膠中的酵素也不會變性或失活，而是維持降解活性，使作為受質的塑膠的分解得以持續。
此外，在岸邊（常溫、常壓環境），內嵌酵素帶來的促降解效果表現得更為明顯：PBSA和PCL僅用1個月就幾乎完全降解。這一結果提示，內嵌酵素技術不僅適用於深海環境，更有望在普通自然環境中發揮較高應用價值。
同時，鑑於研發出的微珠在各類海洋環境中都能快速降解，內嵌酵素生物可降解塑膠可謂一種能夠遏制塑膠碎片化帶來的微塑膠污染加劇問題的優良材料。
研究團隊表示，今後將驗證材料在實際使用環境中的長期耐久性和安全性，把這一技術拓展到更多生物可降解塑膠材料，並圍繞社會應用持續推進相關研究，提升內嵌酵素工藝效率、降低成本、實現規模化。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature
論文：Enzyme-Embedded Polyesters for Accelerated Biodegradation in the Deep Sea
DOI：10.1038/s41586-026-11192-1
