10小時就能降解塑料瓶,分解率高達90%

全球每年生產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小時就能降解塑料瓶,分解率高達90%

塑料瓶的回收再利用,對環境保護起到至關重要的作用。

這就是Nature最新封面文章所關註的問題。

10小時就能降解塑料瓶,分解率高達90%

但現在的回收技術,要麼會破壞PET的機械性能,要麼就是酶水解效率過低。

近日,來自法國圖盧茲大學的團隊就提出瞭一種新的酶:可以在10小內水解90%的塑料瓶PET。相關論文以“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”為題發表在《Nature》上,當日《Science》雜志以“‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles”進行報道。

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

這就大大推動瞭塑料瓶的重復再利用。

10小時就能降解塑料瓶,分解率高達90%

PET:我要“溶解”瞭

要想水解PET,就先瞭解它。

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

10小時就能降解塑料瓶,分解率高達90%

大多數塑料瓶中都存在這2種PET形態,制造商會根據塑料瓶的材料特性,調整它們的比例。

但是結晶形態的PET,它的結構過於穩定,以至於目前最有效的酶也難以完全消化。

可能你會問,高溫不是會讓結晶形態的PET,變得松散、無序?

但是酶存在“高溫不耐癥”啊,溫度一上來,酶就失活瞭。

那如何翻過這“兩座大山”,讓酶更好的水解PET?

首先是結構方面的問題。

研究人員查閱瞭角質酶(cutinase,一種α/β水解酶)的結構,並進行瞭化學模擬,找出瞭PET與這種酶的相互作用位置:他們發現PET與酶表面的“凹槽”相吻合(包括PET被切割的位置)。

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為瞭改善PET與這個凹槽的契合度,研究人員創造瞭一大批酶的突變版本,通過不同的組合,改變瞭凹槽內側的每一個氨基酸。

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接下來,就是酶不耐高溫的問題。

對相關的酶做瞭研究之後,似乎有瞭一種線索:許多酶是通過與一種金屬離子相互作用來穩定的,這種金屬離子將酶的兩個部分固定在一起。

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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行工程設計,可以在這兩部分之間形成化學鍵。這種版本的酶,在高溫下就會更加穩定。

最後,研究人員通過一系列的改良,創造出瞭2個版本的酶,並在切碎的塑料瓶上進行實驗。

不僅水解效率高,還很便宜

如此改良後的水解酶,效率是極高的。

前人提出的水解酶,20小時內能消化一半的PET。而在這項工作中,隻需要15個小時,消化率就能達到85%。

不僅如此,通過優化條件,他們能夠在10小時內將PET分解率達到90%。

10小時就能降解塑料瓶,分解率高達90%

雖然還殘留一些結晶形態的PET,但這種效率已然是很高瞭:可以從1000公斤的PET廢料中提取出863公斤的原料。

換句話說,重新設計的這種酶的效率,比我們身體裡分解淀粉酶的效率還要高。

而後,研究人員還利用這些原料,以工業標準制造瞭新的PET產品。

這些新產品的耐壓能力,僅比用標準化學原料生產的PET值低5%;外觀方面也隻差瞭10%,符合PET產品生產標準。

當然,成本也是一個重要的考量因素。

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,如果制造這種蛋白質的成本是每公斤25美元,那麼這個過程的成本將是用這種蛋白質制造PET成本的4%。

盡管這可能不像石化產品那麼便宜,但相對來說,它將不受未來價格沖擊的影響,而且更具有可持續性。

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,它可以幫助社會解決我們面臨的最具挑戰性的塑料問題之一。

Nature論文:

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

相關報道:

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

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