10小时就能降解塑料瓶,分解率高达90%

全球每年生产3.59亿吨塑料,其中1.5-2亿吨就堆积在垃圾场,或暴露在自然界中。

而聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料最为丰富,全球每年产量近7000万吨——它就是我们每天都可能接触到的塑料瓶

10小时就能降解塑料瓶,分解率高达90%

塑料瓶的回收再利用,对环境保护起到至关重要的作用。

这就是Nature最新封面文章所关注的问题。

10小时就能降解塑料瓶,分解率高达90%

但现在的回收技术,要么会破坏PET的机械性能,要么就是酶水解效率过低。

近日,来自法国图卢兹大学的团队就提出了一种新的酶:可以在10小内水解90%的塑料瓶PET。相关论文以“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”为题发表在《Nature》上,当日《Science》杂志以“‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles”进行报道。

这比之前所有PET水解酶的效率都要高,更重要的是,水解后产生的单体,和石化材料中的单体具有相同特性。

这就大大推动了塑料瓶的重复再利用。

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PET:我要“溶解”了

要想水解PET,就先了解它。

PET可以凝固成2种形态:一种是紧密包裹的结晶形态,另一种是比较松散、无序的形态。

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大多数塑料瓶中都存在这2种PET形态,制造商会根据塑料瓶的材料特性,调整它们的比例。

但是结晶形态的PET,它的结构过于稳定,以至于目前最有效的酶也难以完全消化。

可能你会问,高温不是会让结晶形态的PET,变得松散、无序?

但是酶存在“高温不耐症”啊,温度一上来,酶就失活了。

那如何翻过这“两座大山”,让酶更好的水解PET?

首先是结构方面的问题。

研究人员查阅了角质酶(cutinase,一种α/β水解酶)的结构,并进行了化学模拟,找出了PET与这种酶的相互作用位置:他们发现PET与酶表面的“凹槽”相吻合(包括PET被切割的位置)。

10小时就能降解塑料瓶,分解率高达90%

为了改善PET与这个凹槽的契合度,研究人员创造了一大批酶的突变版本,通过不同的组合,改变了凹槽内侧的每一个氨基酸。

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接下来,就是酶不耐高温的问题。

对相关的酶做了研究之后,似乎有了一种线索:许多酶是通过与一种金属离子相互作用来稳定的,这种金属离子将酶的两个部分固定在一起。

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因此,从这种酶的原始版本开始,研究人员在两种氨基酸中进行工程设计,可以在这两部分之间形成化学键。这种版本的酶,在高温下就会更加稳定。

最后,研究人员通过一系列的改良,创造出了2个版本的酶,并在切碎的塑料瓶上进行实验。

不仅水解效率高,还很便宜

如此改良后的水解酶,效率是极高的。

前人提出的水解酶,20小时内能消化一半的PET。而在这项工作中,只需要15个小时,消化率就能达到85%。

不仅如此,通过优化条件,他们能够在10小时内将PET分解率达到90%。

10小时就能降解塑料瓶,分解率高达90%

虽然还残留一些结晶形态的PET,但这种效率已然是很高了:可以从1000公斤的PET废料中提取出863公斤的原料。

换句话说,重新设计的这种酶的效率,比我们身体里分解淀粉酶的效率还要高。

而后,研究人员还利用这些原料,以工业标准制造了新的PET产品。

这些新产品的耐压能力,仅比用标准化学原料生产的PET值低5%;外观方面也只差了10%,符合PET产品生产标准。

当然,成本也是一个重要的考量因素。

与石化原料相比,使用再生PET的成本是多少呢?

研究人员估计,如果制造这种蛋白质的成本是每公斤25美元,那么这个过程的成本将是用这种蛋白质制造PET成本的4%。

尽管这可能不像石化产品那么便宜,但相对来说,它将不受未来价格冲击的影响,而且更具有可持续性。

One More Thing

这种酶不能回收其他主要类型的塑料,例如聚乙烯和聚苯乙烯,它们之间的键较难断裂。但是,如果成功的话,它可以帮助社会解决我们面临的最具挑战性的塑料问题之一。

Nature论文:

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

相关报道:

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

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