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一種酶讓塑料分解率10小時(shí)內(nèi)達(dá)到90% 而且還很便宜
塑料是一項(xiàng)偉大的化學(xué)材料發(fā)明,但難以分解的特性,又導(dǎo)致全球出現(xiàn)了塑料制品的“消化病”,微塑料廢物近年來對(duì)環(huán)境的污染更是讓人觸目驚心。
法國研究人員設(shè)計(jì)了一種酶,可以有效分解常見的一種塑料形式——聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)。這個(gè)過程中,可以將90%的相同塑料轉(zhuǎn)化回其原始原料。該反應(yīng)的最終結(jié)果是可以直接重復(fù)使用,以制造新塑料瓶的原材料。
研究人員們表示,正在擴(kuò)大該技術(shù)的規(guī)模,并于明年開設(shè)示范工廠。如果商用成功的話,它可以幫助社會(huì)解決我們面臨的頗具挑戰(zhàn)性的塑料問題之一。
3月8日,相關(guān)論文以“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”為題發(fā)表在新一期《Nature》上,以封面文章的形式出現(xiàn)。
“這是向前邁出的一大步,”樸茨茅斯大學(xué)(University of Portsmouth)負(fù)責(zé)酶創(chuàng)新中心的約翰·麥基漢(John McGeehan)評(píng)價(jià)道?!禨cience》雜志更是以“‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles”進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道。
年產(chǎn)量7000萬噸的PET塑料
聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)是世界上常用的塑料之一,每年生產(chǎn)量約達(dá)7,000萬噸。PET有多種用途,包括具有很高拉伸強(qiáng)度的薄膜(以聚酯薄膜市場銷售)。但它普遍的用途還是塑料飲料瓶——這是環(huán)境塑料廢物的主要成分。PET最早是在1940年代開發(fā)的。到了2016年,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)可以分解并利用PET中碳的活生物體,它存在于塑料回收設(shè)施附近的沉積物中。
盡管像這樣的微生物可以解決塑料廢物的問題,但由于PET的碳主鏈最終被完全分解,它們無法使塑料更具可持續(xù)性。這意味著必須不斷提供新材料來替換損壞的PET容器,當(dāng)前這些容器主要是來自石化產(chǎn)品材料。
PET是由氧和碳原子連接的碳環(huán)的長集合。為了以允許回收的方式將其分解,這些碳-氧鍵沒有被破壞,釋放了大量的環(huán),然后可以將其重新連接。當(dāng)前正在消化PET的微生物也會(huì)破壞該環(huán),使其不適合回收。以往,回收公司通常最終會(huì)混合使用多種不同顏色的塑料。然后,他們使用高溫將其融化,生產(chǎn)出灰色或黑色的塑料原料,因此很少有公司希望使用它們來包裝產(chǎn)品。取而代之的是,這種材料通常會(huì)變成地毯或其他低級(jí)塑料纖維,最終最終被填埋或焚化。
但是,科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多可以破壞PET連接的酶。這些都具有破壞葉子表面蠟狀涂層的作用,稱為“角質(zhì)”(使這些酶成為角質(zhì)酶)。這些為新工作提供了起始材料。首先,研究人員參加了一組角質(zhì)酶并測試了他們分解PET的活性?;钚愿叩氖嵌逊识?被稱為“葉枝堆肥角質(zhì)酶(leaf-branch compost cutinase)”), 2012年大阪大學(xué)的研究人員在堆肥中發(fā)現(xiàn)了一種這樣的酶。它可以切斷PET的兩個(gè)構(gòu)件:對(duì)苯二甲酸酯和乙二醇之間的鍵。但是LLC演變成能破壞許多植物葉子上的蠟狀保護(hù)層的特性,它只能緩慢地破壞PET鍵,然后在65°C(PET開始軟化的溫度)下使用幾天后就破裂。
PET塑料的分解之困
盡管所有版本的PET都具有相同的化學(xué)式,但該材料可以固化為兩種形式:緊密堆積的結(jié)晶形式,和比較松散、無序的形式。大多數(shù)由PET制成的材料都具有這兩種形式,同時(shí)制造商們調(diào)整他們的含量比例,從而制成相應(yīng)材料特性的塑料。
然而,結(jié)晶形式的緊密堆積,使得即使有效的酶也難以消化這些塑料。幸運(yùn)的是,有一個(gè)局部解決方案:加熱任何形式的PET,都會(huì)導(dǎo)致某些結(jié)晶的PET熔化成無序形式,從而使更多的PET得以消化。
不過,這又面臨著新的問題,因?yàn)槊副旧斫?jīng)常融化,并在65°C或150°F以上的溫度下失活。此外,這些酶會(huì)分解成不同的聚合物,因此不能預(yù)期在PET上也能很好地起作用。
為了使該酶在PET上更好地發(fā)揮作用,可持續(xù)塑料公司Carbios的首席科學(xué)官Alain Marty與圖盧茲大??學(xué)的酶工程專家Isabelle Andre合作。他們首先分析了角質(zhì)酶的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了化學(xué)模擬,以弄清PET與酶發(fā)生相互作用的“活性位點(diǎn)”。他們發(fā)現(xiàn)它適合酶表面上的凹槽,其中包括可以切割PET的位置。
為了改善PET在該凹槽中的貼合度,研究人員創(chuàng)建了一大批突變型的酶,以不同的組合改變了凹槽內(nèi)部的每個(gè)氨基酸。盡管其中大多數(shù)幾乎消除了酶的活性,但實(shí)際上有一些提高了酶的活性,并用于進(jìn)一步研究。
第二個(gè)問題是酶耐受高溫的能力問題。結(jié)果,研究人員找到線索: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。于是,從最初的酶版本開始,研究人員設(shè)計(jì)了兩個(gè)氨基酸,可以在這兩個(gè)部分之間形成化學(xué)鍵(二硫鍵)。這一版本的酶,在高溫下比原始版本更穩(wěn)定。
研究人員產(chǎn)生了數(shù)百種突變酶,它們改變了結(jié)合位點(diǎn)的氨基酸并添加了熱穩(wěn)定酶。然后,他們?cè)诩?xì)菌中大量產(chǎn)生了突變體,并對(duì)其進(jìn)行了篩選,以找到有效的PET破膠劑。重復(fù)此過程幾輪后,他們分離出一種突變酶,這種酶的PET鍵斷裂效率比天然LLC高10,000倍。它也可以在不破壞PET熔融溫度的72°C的條件下工作。
通過結(jié)合所有這些變化,研究人員工程化出四種四重變體(ICCG、ICCM、WCCG和WCCM),它們均具有相似或高于野生型LCC的比活性,熔融溫度也相對(duì)得以提高。在解聚試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),ICCG和WCCG的轉(zhuǎn)化率高,分別在20小時(shí)和15小時(shí)的時(shí)候,達(dá)到了82%和85%。
一種高效又便宜的方案
有了這種PET來源,原始酶可以在20小時(shí)內(nèi)消化大約一半。研究團(tuán)隊(duì)做出的好修改版,只需15小時(shí)即可達(dá)到85%的分解率。而且進(jìn)一步優(yōu)化條件后,他們能夠在10小時(shí)內(nèi)達(dá)到90%的PET分解率。
盡管仍有一些殘留的結(jié)晶PET,但他們發(fā)現(xiàn)這些酶可以吸收1000公斤的PET廢料,然后從中生產(chǎn)863公斤的原料。換句話說,他們重新設(shè)計(jì)的酶,在消化PET方面比人體的消化酶在分解淀粉方面更有效。
然后,他們使用這種原材料通過標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)反應(yīng)來制造新的PET產(chǎn)品。新產(chǎn)品的耐壓能力僅比標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)來源的PET測得的值低5%。外觀上,它是常規(guī)生產(chǎn)的PET的10%以內(nèi)。
與常規(guī)用石化原料制作相比,使用再生PET的成本是多少?作者估計(jì),如果這種蛋白質(zhì)的生產(chǎn)成本約為每公斤25美元,那么該工藝的成本最終將約為用其制成的PET的成本的4%。盡管這可能不像石化產(chǎn)品那么便宜(尤其是現(xiàn)在油價(jià)暴跌之后),但它將相對(duì)不受日后價(jià)格沖擊的影響,并且更具可持續(xù)性。