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活性超强的突变酶问世:10小时分解90%的PET塑料!研发者:正加快到中国的计划

  • 来源:互联网
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  • 2020-05-20
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塑料,几乎是现代人类生活已经离不开的一种材料,但广泛应用之后产生的大量垃圾也日渐成为大自然的顽疾。

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根据联合国环境规划署的数据统计,截至 2018 年,全世界每年产生的塑料废物已超 3 亿吨,其中超过 800 万吨的塑料会进入海洋,而据估计,自 1950 年代以来,全世界已累计生产了超过 80 亿吨塑料,其中约 60% 最终进入了生态环境或垃圾填埋场,很多塑料垃圾需要数十年乃至上百年的时间才能自然分解掉。

现在,事情的转机要来了。

来自法国 “绿色化学” 公司 Carbios 和图卢兹大学的科学家们设计出一种改进的 PET 水解酶,不仅可以快速将 PET 塑料垃圾转化回原始材料,还能用于制造新的食品级塑料瓶,该成果不久前曾登上 Nature 封面, Science 也进行了报道,被称作是“向前迈出了一大步。”

 

图|马尔代夫的 Thilafushi 岛上,人们丢弃的塑料瓶垃圾被堆积如山,形成了“垃圾岛”(来源:东方 IC)

塑料回收的难题

废弃塑料的回收利用并不是收集起来就完事了,关键是后续处理。

聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为例,这是目前世界上最常用的塑料之一,每年产量约 7000 万吨,被广泛用于制造饮料的瓶子、零售的包装,以及聚酯纤维、电子产品器件等领域,但其中仅有大约 30%的塑料被回收,通常会经过热降解技术变成强度降低、机械性能损失的次档塑料,这些塑料会被制成塑料地毡或其他更低级的塑料纤维,最终还是难逃被填埋或焚化,完全算不上是真正实现了循环利用。

PET 具有高比例的芳香族对苯二甲酸酯单元(可降低链迁移率),是一种极难水解的聚酯。简单来说,这种塑料它具备较好的稳定性,拥有质量轻、抗冲击、耐疲劳、抗蠕变性、耐酸碱、耐水、耐油等一系列优点,化学惰性超强,但如果它成了垃圾,就很难分解处理,优点秒变缺点。

针对这样的垃圾,研究人员发现的一种新的 PET 水解酶显示出了惊人的效果,该酶在 10 小时内最终实现了把至少 90%的 PET 解聚为单体,生产率为每升每小时 16.7 克对苯二甲酸酯(200 克 / 公斤 PET 悬浮液,酶浓度为 3 毫克 / 克 PET ),这种高效、优化的酶性能优于迄今为止已知的所有 PET 水解酶。

同时实验证明,通过这种酶解聚的 PET 废料可以再次生产出生物回收 PET,而且与石化 PET 具有相同的特性,有望真正实现循环 PET 经济的概念。

 

图|回收站被压缩打包的塑料瓶(来源:ISTOCKPHOTO)

寻找最强突变酶

这里有一个技术点是,玻璃化转变温度是材料的一个重要特性参数,材料的许多特性都在玻璃化转变温度附近发生急剧的变化。

而任何实际的酶法 PET 回收应用都需要蛋白质在 PET 玻璃化转变温度附近具有动力学稳定性,即 70°C。 起初,研究人员使用了市售的无定形 PET(Gf-PET,由供应商 Goodfellow 提供)来比较已知的几种酶在最佳条件下水解 PET 的活性,这几种酶包括 Thermobifida fusca hydrolases(BTA1 和 BTA2)、Fusarium solani pisi cutinase(FsC)、Ideonella sakaiensis PETase (Is-PETase)以及 leaf-branch compost cutinase (LCC)等。

 

图|在 PET 解聚实验中,各种水解酶的性能对比(来源: Nature )

经对比发现,LCC 在 65°C 时对 PET 的初始解聚速率最快,效率最高是其他测试酶的 33 倍,同时还具有最高的热稳定性,是已知能最大限度提高 PET 链的流动性和解聚效果的酶。

但即便如此,LCC 反应在 65℃下 3 天后会停止,转化率仅能达到 31%,不过,通过在停止的反应中添加 LCC,可以恢复初始动力学。因此,为了提高解聚产率,研究人员试图通过酶工程设计来进一步提升 LCC 的活性和热稳定性,寻找那个分解活性与温度的最佳契合点。

 

图|提高诱变后 LCC 的 PET 解聚比活性(来源: Nature )

 

图|通过添加二硫键改善 LCC 的热稳定性(来源: Nature )

最后,就是进行突变组合了。研究人员在新的热稳定变异体中添加了导致最高比活性的两个突变,随后又添加了 T96M、Y127G、N246D 和 N246M 突变进行测试,在对比活性和熔化温度进行分析后,四种变异体性能突出:F243I/D238C/S283C/Y127G(ICCG)、F243I/D238C/S283C/N246M(ICCM)、F243W/D238C/S283C/Y127G(WCCG)和 F243W/D238C/S283C/N246M(WCCM),它们保留了与野生型 LCC 相似或高于野生型 LCC 的比活性。

 

图|LCC 不同变体的性能改进(来源: Nature )

研究人员将 PET 废料进行预处理(挤压和微粉化)后,对这四种四元变体(ICCG、ICCM、WCCG 和 WCCM)性能进行了评估,最终发现在 72°C 条件下可以最大限度地提高转化率,ICCG 变体在 9.3 小时中获得 90% 的解聚效果,成为其中最佳的选择。

这项实验还顺带估算出, 回收 1 吨 PET 所需的酶成本约占原始 PET 吨价格的 4%,而每公斤酶蛋白质的生产成本约为 25 美元。

塑料大国的压力

“整体来讲,这种工艺从经济角度考量是可行的。虽然短期内不能与拥有数十年和数亿吨生产经验的石化 PET 相比,但我们有潜力在成本上与石化 PET 相当。”

那么,这种解聚酶能否降解并回收其他材质的塑料垃圾?例如聚乙烯和聚苯乙烯。Martin Stephan 回应说, Nature 文章中描述的酶只是针对 PET 进行了优化,用于其他聚合物的其他酶的项目还在持续开发。 另外,Carbios 会把技术成果带到生产和消费 PET 的地方,中国在这两方面都是非常重要的国家,Stephan 表示在加快针对中国市场的拓展计划。

根据 PlasticsEurope 的一份市场报告统计,全球塑料产量在 2018 年突破 3.59 亿吨,中国占世界塑料总产量达 30%,是名副其实的塑料生产大国,而近年来持续快速增长的网购、快递和外卖,更是导致了塑料垃圾迅速激增。

 

图|外卖包装很多都是塑料制品

有研究统计,2017 年仅中国的在线外卖业务就产生了 160 万吨包装垃圾,这其中包括 120 万吨塑料盒、17.5 万吨一次性筷子、16.4 万吨塑料袋和 4.4 万吨塑料勺子,2018 年这一数字增加到超 200 万吨,处理压力可谓日益紧迫。

或许可以期待,这种新的解聚酶能为中国海量的塑料垃圾带来一条技术解决路径。

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

https://www.sciencemag.org/news/2020/04/huge-step-forward-mutant-enzyme-could-vastly-improve-recycling-plastic-bottles#

https://www.deepdyve.com/lp/elsevier/packaging-waste-from-food-delivery-in-china-s-mega-cities-FWSKD1p1mK?

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