世界上第一次证明：生物降解塑料在深海中也能被降解

载人潜水调查船“深海6500”设置在深海底3个月后的生物降解性塑料样品上，观察到了马林斯诺堆积的情况。在样品表面附着的无数微生物的作用下，生物降解就像在样品表面形成陨石坑一样进行。

研究背景

据报道，目前全世界每年生产约4亿吨塑料，每年约有800万吨塑料垃圾流入海洋(science 347，768 (2015) )。 我们平时使用的以聚乙烯和聚丙烯为代表的通用塑料，是在山、河、湖、海的任何环境中都不分解的塑料。现在，人们希望开发出一种“生物可降解塑料”，它在任何环境下都可以通过微生物的作用完全分解为二氧化碳和水。
迄今为止，以聚乳酸和微生物生产的聚酯等为首的许多生物降解性塑料被开发出来，对堆肥的生物降解性以及土壤、河流、湖泊、浅海域等的环境生物降解性进行了评价。然而，在海洋塑料垃圾最终进入的深海环境中，生物降解塑料是否真的能被生物降解，或者深海中是否存在能降解生物降解塑料的微生物，至今还没有人证明。

研究内容

本研究利用载人潜水调查船“深海6500”和自由落体式深海探测器“江户子1号”，在深海放置生物分解性塑料和通用塑料3到14个月，根据这些样品的重量和形状的变化、特性 作为生物降解性塑料，研究了以微生物生产聚酯( PHA)和聚乳酸为首的生物降解性聚酯、还有PBAT、PBS、PBSA、PCL，PLLA，和以醋酸纤维素为首的多糖类酯衍生物。 同时，在面向漂浮塑料垃圾较多的东京湾的海洋研究开发机构的岸壁(神奈川县横须贺市，水深约5m )也设置了同样的样品，进行了生物分解速度的比较。将设置在深海的样品在3个月到14个月后捞出，进行了薄膜和注塑成型体的重量和厚度的变化、附着在表面的分解微生物的分析。结果表明，通用塑料和聚乳酸完全不降解，而除聚乳酸外，其他可生物降解的聚酯和多糖酯衍生物在任一深海底都能降解。

比较深海和岸壁的生物分解速度(µg/cm2/day )，相对于岸壁的分解速度，水深1000m的深海约为五分之一到十分之一，水深5000 m的深海约为二十分之一(图2(b) )。 这种生物分解速度的降低，除了水深变深引起的水压和水温等环境变化之外，还可能是微生物的存在量和多样性减少造成的。 假设用此次实验中使用的生物降解性塑料之一的微生物生产聚酯制作了塑料袋(一般厚度=15µm)，使用在初岛海域(水深855m)的降解速度计算深海的降解时间，预计约3周到2个月就会降解(约50%)

图2：深海生物降解速度和用生物降解塑料制作的塑料袋的深海降解推测期间

使用扫描电子显微镜观察深海设置的塑料表面的情况时，发现通用塑料和聚乳酸的样品表面几乎没有微生物附着，而生物降解性塑料表面有大量微生物密集附着的情况(图1)。 对附着微生物的菌群分析的结果显示，深海设置后几个月会附着好氧微生物，菌群会随着时间变化为厌氧微生物(图3)。 这可能是因为马林斯诺随着时间在样品表面堆积，从好氧条件向厌氧条件变化。 对生活在样品正下方海底堆积物中的微生物的菌群进行了分析，结果与处于厌氧条件下的样品表面的菌群几乎相同。

对附着在样品表面微生物进行菌群分析和元基因组分析，将具有分解生物降解性塑料的微生物产生聚酯(PHA)分解酶、聚酯酶、果胶酶的基因的碱基序列的新微生物。发现的微生物存在于世界各地的海底堆积物中，此次被证实分解的生物降解性塑料不仅在日本近海，还会在世界各地的海域被生物降解。

图3：生物降解塑料表面和海底沉积物中生存的微生物菌群分析和新发现的降解微生物在沉积物中的全球分布

据悉，在初岛海域的深海底设置了4个月的薄膜表面只存在好氧微生物(蓝色或绿色)，但14个月后厌氧微生物(粉红色)成为主导地位。14个月后，薄膜表面的微生物菌群与海底沉积物中的菌群基本相同。新发现的微生物产生的聚酯(PHA)分解菌存在于世界各地的海底堆积物中，PHA在世界各地的海里被生物分解。

今后的展望

本研究证明，即使在海洋塑料垃圾最终会到达的深海底，生物降解性塑料也会被微生物分解。 塑料制品需要尽可能地回收、利用。 但是，不可能回收所有的塑料，很多东西会流到环境中。 因此，在不可避免地泄露到海洋的产品等中，适当使用生物降解性塑料是必不可少的，可以说生物降解性塑料是对抑制未来海洋塑料污染做出贡献的优秀材料。今后，有望开发出高性能的海洋生物降解塑料，在使用中，该塑料可持续发挥优异的物性，使用后，一旦泄露到海洋中就会开始降解，同时具有尽快降解的海洋降解塑料。