全球每年生產(chǎn)3.59億噸塑料,其中1.5-2億噸就堆積在垃圾場,或暴露在自然界中。

而聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料最為豐富,全球每年產(chǎn)量近7000萬噸——它就是我們每天都可能接觸到的塑料瓶

10小時(shí)就能降解塑料瓶,分解率高達(dá)90%

塑料瓶的回收再利用,對環(huán)境保護(hù)起到至關(guān)重要的作用。

這就是Nature最新封面文章所關(guān)注的問題。

10小時(shí)就能降解塑料瓶,分解率高達(dá)90%

但現(xiàn)在的回收技術(shù),要么會(huì)破壞PET的機(jī)械性能,要么就是酶水解效率過低。

近日,來自法國圖盧茲大學(xué)的團(tuán)隊(duì)就提出了一種新的酶:可以在10小內(nèi)水解90%的塑料瓶PET。相關(guān)論文以“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”為題發(fā)表在《Nature》上,當(dāng)日《Science》雜志以“‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles”進(jìn)行報(bào)道。

這比之前所有PET水解酶的效率都要高,更重要的是,水解后產(chǎn)生的單體,和石化材料中的單體具有相同特性。

這就大大推動(dòng)了塑料瓶的重復(fù)再利用。

10小時(shí)就能降解塑料瓶,分解率高達(dá)90%

PET:我要“溶解”了

要想水解PET,就先了解它。

PET可以凝固成2種形態(tài):一種是緊密包裹的結(jié)晶形態(tài),另一種是比較松散、無序的形態(tài)。

10小時(shí)就能降解塑料瓶,分解率高達(dá)90%

大多數(shù)塑料瓶中都存在這2種PET形態(tài),制造商會(huì)根據(jù)塑料瓶的材料特性,調(diào)整它們的比例。

但是結(jié)晶形態(tài)的PET,它的結(jié)構(gòu)過于穩(wěn)定,以至于目前最有效的酶也難以完全消化。

可能你會(huì)問,高溫不是會(huì)讓結(jié)晶形態(tài)的PET,變得松散、無序?

但是酶存在“高溫不耐癥”啊,溫度一上來,酶就失活了。

那如何翻過這“兩座大山”,讓酶更好的水解PET?

首先是結(jié)構(gòu)方面的問題。

研究人員查閱了角質(zhì)酶(cutinase,一種α/β水解酶)的結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了化學(xué)模擬,找出了PET與這種酶的相互作用位置:他們發(fā)現(xiàn)PET與酶表面的“凹槽”相吻合(包括PET被切割的位置)。

10小時(shí)就能降解塑料瓶,分解率高達(dá)90%

為了改善PET與這個(gè)凹槽的契合度,研究人員創(chuàng)造了一大批酶的突變版本,通過不同的組合,改變了凹槽內(nèi)側(cè)的每一個(gè)氨基酸。

10小時(shí)就能降解塑料瓶,分解率高達(dá)90%

接下來,就是酶不耐高溫的問題。

對相關(guān)的酶做了研究之后,似乎有了一種線索:許多酶是通過與一種金屬離子相互作用來穩(wěn)定的,這種金屬離子將酶的兩個(gè)部分固定在一起。

10小時(shí)就能降解塑料瓶,分解率高達(dá)90%

因此,從這種酶的原始版本開始,研究人員在兩種氨基酸中進(jìn)行工程設(shè)計(jì),可以在這兩部分之間形成化學(xué)鍵。這種版本的酶,在高溫下就會(huì)更加穩(wěn)定。

最后,研究人員通過一系列的改良,創(chuàng)造出了2個(gè)版本的酶,并在切碎的塑料瓶上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

不僅水解效率高,還很便宜

如此改良后的水解酶,效率是極高的。

前人提出的水解酶,20小時(shí)內(nèi)能消化一半的PET。而在這項(xiàng)工作中,只需要15個(gè)小時(shí),消化率就能達(dá)到85%。

不僅如此,通過優(yōu)化條件,他們能夠在10小時(shí)內(nèi)將PET分解率達(dá)到90%。

10小時(shí)就能降解塑料瓶,分解率高達(dá)90%

雖然還殘留一些結(jié)晶形態(tài)的PET,但這種效率已然是很高了:可以從1000公斤的PET廢料中提取出863公斤的原料。

換句話說,重新設(shè)計(jì)的這種酶的效率,比我們身體里分解淀粉酶的效率還要高。

而后,研究人員還利用這些原料,以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造了新的PET產(chǎn)品。

這些新產(chǎn)品的耐壓能力,僅比用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)原料生產(chǎn)的PET值低5%;外觀方面也只差了10%,符合PET產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)然,成本也是一個(gè)重要的考量因素。

與石化原料相比,使用再生PET的成本是多少呢?

研究人員估計(jì),如果制造這種蛋白質(zhì)的成本是每公斤25美元,那么這個(gè)過程的成本將是用這種蛋白質(zhì)制造PET成本的4%。

盡管這可能不像石化產(chǎn)品那么便宜,但相對來說,它將不受未來價(jià)格沖擊的影響,而且更具有可持續(xù)性。

One More Thing

這種酶不能回收其他主要類型的塑料,例如聚乙烯和聚苯乙烯,它們之間的鍵較難斷裂。但是,如果成功的話,它可以幫助社會(huì)解決我們面臨的最具挑戰(zhàn)性的塑料問題之一。

Nature論文:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4

相關(guān)報(bào)道:

https://arstechnica.com/science/2020/04/researchers-engineer-enzyme-to-break-down-plastic-bottles/

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