土肥义治
理化学研究所名誉研究员/
东京工业大学名誉教授
2017年起担任未来社会创造项目领域运营会议委员
环境省制定新的基本计划
同时改变“入口”和“出口”
日本每年大约生产1000万吨塑料应用于多种用途，但这些塑料大部分都是以化石燃料为原料的。因此，大量消耗化石燃料所导致的大气中二氧化碳（CO2）浓度逐渐升高，对地球环境的影响令人担忧。另外，排放到环境中的塑料不会降解，而是残留在海洋和河流中，对生态系统产生长期影响。最近，作为解决这些课题的对策，“生物塑料”开始受到关注。
生物塑料是以植物等生物质为原料的“生物质塑料”和可以被微生物降解的“生物降解塑料”的总称（图1）。可以说，生物质塑料是着眼于原料“入口”的称呼，而生物降解塑料是着眼于生物降解性这一“出口”的称呼。生物质塑料不一定具有生物降解性，同样，生物降解塑料也可能包括来自于化石燃料的塑料。
因此，塑料问题必须改变“入口”和“出口”才能得到解决，日本政府也在推动塑料向生物塑料的转换。2019年环境省制定了《第4次循环型社会形成推进基本计划》，规定2030年之前日本要生产相当于目前塑料年产量20％的约200万吨生物质塑料。
图1：生物塑料概要图。生物塑料分为生物质塑料和生物降解塑料两种。原料为生物质的塑料称为生物质塑料，使用后可以降解的塑料称为生物降解塑料。如果能制造出以生物质为原料的生物降解塑料，就可以实现从入口到出口的反复循环，能进一步降低环境负担。
契机源于“被遗忘的聚合物”
发现制造塑料的微生物
被认为今后需求会进一步增加的生物降解塑料的研究先驱之一，是理化学研究所的名誉研究员土肥义治。土肥1984年就任东京工业大学化学环境工学专业（当时）副教授时，塑料垃圾已成为严重的社会问题。他希望利用高分子的研究成果解决环境问题，所以选择将塑料的回收利用作为研究主题。另外，土肥喜欢海钓，平时就担心不能在自然界降解的塑料渔线会伤害海洋生物也是其选择该研究主题的原因之一。
当他开始研究塑料的回收利用时震惊地发现，自然界存在可以在体内合成常见的化学纤维聚酯的微生物。他回忆当时的情景说：“我的专业是化学合成，（了解到存在这种微生物后）我觉得也许能实现可以由微生物利用生物质原料进行生物合成，制作出具有生物降解性的生物质塑料，这样就同时涵盖了入口和出口”。于是土肥大幅转换研究方向，开始研究生物降解塑料。
在阅读以往的文献时，土肥发现了名为PHA（聚羟基烷酸酯）的立构规整性聚合物（图2）。这是1920年代就发现存在于微生物中的一种“被遗忘的聚合物”。土肥以此为线索展开研究，1987年发现了从硬塑料到软橡胶均可合成的微生物。他介绍当时的情景说：“报纸上也开始介绍我们的研究。在此之前，即使在学会上发表也很少有人听，几乎没有受到过关注”。
图2：PHA的化学分子式
长达25年的联合研究
成功实现PHBH量产
土肥和化学企业钟化为了以生产效率比糖更高的植物油为原料制造高性能PHA，于1989年开始开展联合研究。首先从钟化的植物油工厂周边的土壤中探索了可以合成PHA的新微生物。土肥预测：“钟化拥有经营植物油、人造黄油和鱼油等的食品业务部门，其工厂周边的土壤中可能会有以植物油为原料的微生物”，不出所料，1991年钟化发现了可以合成PHBH（3-羟基丁酸酯-co-3-羟基己酸酯）的新型微生物（图3）。
图3：PHBH的化学分子式
研究发现，通过改变BH的成分可以调整PHBH的结晶度，具有容易成型且结实耐用等适合制作塑料的特点，所以受到了高度期待，但也存在课题。土肥介绍说：“微生物合成聚合物并储存在体内的行为类似于人类储存皮下脂肪。因此，最多只能储存占菌体重量约30％的量。这种效率很低，无法实用化”。于是，在进入理化学研究所之后的1996年，土肥利用转基因技术，成功培育出了可储存占菌体重量近90％ PHBH的微生物（图4）。
图4：微生物在体内储存PHBH过程的显微镜照片。在微生物细长的体内，看起来像圆形颗粒的就是PHBH。为防止挨饿，微生物会在体内储存塑料作为营养源。（供图：钟化）
这是个突破性进展，让土肥与钟化重新启动了一度中断的联合研究。2009年利用JST的委托开发项目，实施了在体积比实验室大10万倍的巨大培养槽中培养微生物的生产验证实验。最终结合基于高分子技术的化学力量和基于发酵技术的生物技术力量，确立了从微生物中仅分离和提炼PHBH的工序。
2011年PHBH的年产量达到1000吨，2014年实现了实用化（图5）。土肥表示：“自开展联合研究以来已经过去25年。走到今天这一步经历了很多困难，但钟化始终没有放弃这个项目，对此我表示由衷的感谢。现在年产量已经增加到5000吨，计划在几年内增加到2万吨，最终目标是每年生产10万吨”，可以看出土肥对未来的发展充满期待。
图5：钟化开发的PHBH产品。今后用途有望逐渐扩大。（供图：钟化）
土肥与钟化共同开发出来的PHBH生物质塑料作为可以由微生物利用生物质原料进行生物合成，而且具有生物降解性，同时涵盖“入口”和“出口”，在海外也得到了利用。土肥取得的这些成就得到认可，2019年获得了一般社团法人生物产业协会主办的第三届生物产业奖。今后在日本使用PHBH产品的机会可能也会增加。
降解性能因环境而异
构建新的循环系统
平石 知裕
理化学研究所 环境资源科学研究中心
专任研究员
2019年当选未来社会创造项目的研发代表
阿部 英喜
理化学研究所 环境资源科学研究中心
生物塑料研究团队
团队组长
目前接替土肥继续开展研究的，是理化学研究所环境资源科学研究中心的阿部英喜组长所带领的生物塑料研究团队。阿部等人正致力于利用化学和生物学方法从植物生物质中合成新的功能性生物质聚合物。作为研究内容之一，团队成员平石知裕专任研究员正挑战开发适合各种环境的生物降解塑料。目标是通过制造可在各种环境下按预期降解的塑料，构建以生物降解塑料为中心的新循环系统。生物降解塑料最终会被微生物彻底降解成二氧化碳，回归自然。由此可以形成二氧化碳通过光合作用被植物吸收，然后再利用植物制造生物质塑料的循环。
为此，首先需要明确塑料在各种环境中是如何降解的。虽然说“生物降解性很高”，但其降解程度也因环境和塑料的种类而有很大的差异。尤其是能在海水中显示出高生物降解性的塑料，目前只有PHBH等极少一部分（图6）。平石介绍说：“生物降解塑料是被土壤、河流及海洋等自然环境中存在的微生物分泌的酶降解的。如果能明确哪种塑料在每种环境下以什么样的机制降解，就可以设计出适合各种环境的生物降解塑料”。
图6：在海水环境中显示出高生物降解性的PHBH。逐渐被微生物降解的过程。
着眼于与酶的反应
推断降解机制
过去传统采用的方法是测量微生物降解塑料时消耗的氧气量（BOD），或者利用核磁共振装置等来分析残留塑料的结构。这些方法无法直接观察微生物和酶实际降解塑料的情况。认为降解酶掌握着生物降解性的关键的阿部和平石等人着眼于塑料与降解酶的化学反应，“由此逐渐明确了塑料与降解酶的反应机制”（阿部）。
研究团队基于这些研究成果，化学合成或生物合成了各种生物降解塑料，并对其生物降解性进行了评估。由此发现，不同塑料的生物降解性在不同环境下有很大的差异。另外还发现，即使是同一种塑料，基于酶的降解性能和在自然环境中的降解性能也未必相同。
塑料的生物降解过程预计分为6个阶段（图7）。具体而言如下，首先微生物会附着到塑料表面，微生物分泌的酶会降解塑料，微生物以降解塑料获得的产物为营养源进行增殖并形成菌落，其中会新附着一些不会降解塑料的细菌，可以形成更大的菌落，同时还会形成覆盖菌落的生物膜。
图7：塑料的生物降解过程被认为主要分6步。①微生物（降解菌）附着到塑料表面。②微生物分泌降解酶。③酶降解塑料。④微生物以降解产物为营养源进行增殖。⑤微生物聚集形成菌落。⑥菌落中附着其他非降解菌等，形成覆盖菌落表面的生物膜。
平石强调说，仅着眼于塑料与降解酶之间的反应机制还不够。他表示：“还需要详细分析在实际的自然环境中是以什么为诱因表达生物降解性的”。
确立实时分析方法
正在开发适合渔业用具的材料
因此，研究团队又开始开发不同于过去那样单独分析生物降解过程，而是在与自然环境相同的状态下实时进行观测的方法。为此新导入了全面调查在各个过程中哪些微生物通过哪些酶发生降解反应的组学分析法，以及测量代谢产物如何被微生物利用的同位素标记法等，推进了各个过程的实时测量。平石强调说：“如果能用这种测量法明确自然环境下的生物降解机制，就可以更准确地评估生物降解性。我们还打算用于塑料的设计”。
目前阿部等人还在针对已引起海洋污染问题的渔线和渔网用途开发兼具稳定性和生物降解性的生物降解塑料。他介绍说：“需要具备在使用期间结实耐用，但经过一定的时间后或者环境发生变化时能迅速进行生物降解的性质。但二者属于此消彼长的关系，提高生物降解性就会降低材料稳定性”，开发难度比较大。目前还在研发仅在盐度、温度、压力和酸度等发生变化时才开始进行生物降解等具备某种开关功能的生物降解塑料。
生物降解塑料的研究已经进行了约40年。这项由土肥开始，后被阿部和平石接棒的研究如今在世界潮流的推动下颇有大放异彩之势。从基础和应用两方面推进的研究未来可能也会催生出各种循环型生物降解塑料。三位科学家今后将继续朝着实现低碳社会的方向稳步前进。
文：JSTnews 2021年7月号
翻译编辑：JST客观日本编辑部
