Nature:为塑料“量身定制”分解酶,降低塑料污染,助力塑料回收

2022-05-16 10:21 · 生物探索

塑料广泛用于包装各种消费品,但塑料废物的不当处置会导致土地和海洋的长期污染,最终随着食物链进入人体。

导语:塑料广泛用于包装各种消费品,但塑料废物的不当处置会导致土地和海洋的长期污染,最终随着食物链进入人体。目前,科学家已在人类血液中发现微塑料,人类最终会为因对环境的“任性”造成的后果买单。塑料回收可在一定程度上降低废弃塑料对环境的污染,但许多塑料产品并不是为机械回收而设计的,其回收过程涉及到熔化和再加工,因此回收再生产的材料质量低于原始塑料。

全球塑料产量增长超半数来自中国

全球塑料产量自1950年的150万吨增长至2018年的3.59亿吨,复合增长率为8.4%;其中,中国塑料产量约占30%,欧盟塑料产量约占17%,北美占18%;2009-2018年间,全球塑料产量增长了1.29亿吨,其中56.4%的增量来自中国。

根据Our World in Data统计,在世界范围内,美国、德国、荷兰、爱尔兰、科威特、圭亚那等国家,比印度、坦桑尼亚、莫桑比克和孟加拉国等国家的人均塑料垃圾产生高出十倍以上(图1)。但是,在总塑料垃圾产生方面,印度、中国、菲律宾、巴西和尼日利亚均高居前列(图2)。这种情况一方面归因于发展中国家庞大的人口数量,另一方面归因于发展中国家对塑料垃圾管理不善,再者发达国家向发展中国家的废弃塑料出口也颇有“贡献”[1]。

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图1 全球国家人均塑料废弃物产生量(图源:Our World in Data)

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图2 全球国家产生塑料垃圾份额(图源:Our World in Data)

以中国为例,在2017年中国政府全面禁止进口非工业塑料废物之前,中国大陆和中国香港进口了全球贸易塑料废物的72.4%(大部分进口到香港,最终到达中国大陆)。2010年至2016年期间,中国每年进口700-900万吨塑料垃圾,中国国内塑料垃圾产生量约为6100万吨。因此,中国塑料垃圾总量的10-11%是从世界各地进口的(图3)。向中国出口塑料废物的总量占中国进口塑料废物进口总量76%的前10个国家或地区分别为:中国香港、日本、美国、泰国、德国、比利时、菲律宾、澳大利亚、印度尼西亚和加拿大(图4)。

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图3 中国塑料垃圾来源(图源:Our World in Data)

注:红色为进口占比,灰色为国内产生占比。

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图4 十大废弃塑料出口国家或地区对中国的塑料出口量(图源:Our World in Data)

根据Our World in Data统计,自1950年以来,全球塑料总生产量约为83亿吨,其中约10%被焚烧处理,仅有6%左右被有效回收利用。被回收的塑料经过二次利用后,又会有相当一部分被遗弃或焚烧,最终被焚烧的塑料达到8亿吨,而遗弃或填埋的废弃塑料达到49亿吨。这意味着人类生产的所有塑料制品,有近59%留在了自然界。废弃塑料造成的“白色污染”日益严重,据估算仅漂浮在海面上的海洋塑料垃圾就达25万吨[1]。因此,提升废弃塑料的回收利用率,对减少环境污染至关重要。

Nature:利用酶促反应分解塑料,推动塑料闭环回收

2022年4月27日,Nature发文表示研究人员发现了一种可以满足工业规模塑料降解的酶,可稳定高效分解聚对苯二甲酸乙二醇酯(Poly Ethylene Terephthalate,PET)废弃物,再生食品级包装材料(图5)[2]。

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图5 研究成果(图源:Nature

全球主要的塑料消费结构为:聚乙烯(30%)、聚丙烯(19%)、聚氯乙烯(11%)、聚氨酯(7%)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(6%)、聚苯乙烯(4%),此六类塑料的消费量占比约为77%(图6)。其中PET产品大都是一次性消费品,随之而来的是大量废旧PET材料。废旧PET材料短时间内不易被空气或微生物降解,占据大量空间,造成环境污染和视觉污染,因此对废弃的PET进行回收并进行再生成为了人们的新选择。将非食品级PET废弃物回收,并用于制造食品级PET包装材料,是需要攻克的重大挑战。

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图6 塑料的全球使用量占比(图源:生物探索编辑团队原创)

在进行PET回收利用时,需先将PET转变为分子单体,然后提纯并重新聚合,从而制造出新的塑料,这是一种“闭环”回收形式。然而,传统的PET回收利用采用化学解聚方法,在此过程需要大量的碱和酸,且为能源密集型产业,因此在经济或环境方面不可行(图7)。此外,酶降解技术虽然是一个绿色解决方案,但长期以来缺乏具有工业规模塑料解聚活性的酶,因此阻碍了这种回收策略的发展。

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图7 PET回收利用产业链(图源:英科再生招股说明书)

近日,美国德克萨斯大学奥斯汀分校研究团队在Nature发表题为“Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization”的研究成果(图8)[3]。研究发现了一种工程变体PET降解酶:FAST-PETase,其具有工业规模降解活性,对晶态和非晶态PET均能高效降解,且能够降解各种PET原材料,并合成食品级包装材料。

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图8 研究成果(图源:Nature

研究人员使用机器学习预测PET降解酶(PETases)的突变,以提高酶的热稳定性和活性。通过对突变体进行工程改造和测试,该团队确定了一种酶,与野生型PETase相比,该酶包含五个突变,并且相对于野生型和工程化替代品具有更高的PET降解活性。通过对该酶在30- 50℃和一系列pH范围内的活性检测,对不同PET产品的降解能力评估以及降解后材料的品质进行检测,发现以下结果:

1. FAST-PETase对晶态和非晶态PET均能高效降解

非晶态PET可以直接解聚,晶体PET需要热预处理转变为非晶态。在室温下一周内或在50°C下一天内非晶态PET可以直接解聚,而晶体含量超过25%的PET需要经过热预处理才能使塑料转变为非晶态(图9)。

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图9 FAST-PETase在热成型pc-PET产品的酶解反应中的优越性能(图源:Nature

2. FAST-PETase适用于至少51种未经处理的PET样品的降解

该酶具有处理各种塑料废弃物的能力,对gf-PET,pc-PET,商用塑料水瓶,商用聚酯产品均表现除了较好的降解效果(图10)。

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图10 FAST-PETase解聚PET水瓶和聚酯产品及在PET酶化学回收中的应用(图源:Nature

3. FAST-PETase可用于塑料的闭环回收,再生食品级包装材料

FAST-PETase可用于闭环回收,从3克有色PET中生产出约2.8克无色PET,可合成食品级包装材料。

FAST-PETase的发现为PET塑料回收再利用提供了新的切入点,有望进一步提高PET塑料的利用率,降低环境负担。那么,您觉得这种酶的工业化生产能否实现?

撰文|文竞择
排版|木子久

参考资料:
[1]https://ourworldindata.org/plastic-pollution
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-022-01075-6#ref-CR1
[3]Lu H, Diaz DJ, Czarnecki NJ, et al. Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization. Nature. 2022 Apr;604(7907):662-667. doi: 10.1038/s41586-022-04599-z. Epub 2022 Apr 27. PMID: 35478237.