原創 譯婷 世界頂尖科學家論壇
塑料是現代生活中隨處可見、不可或缺的重要材料，但是隨之出現在白色垃圾也為自然環境帶來了很大的負擔。據估算，全球每年生產的3.59億噸塑料中，有1.52億至2億噸被堆積在垃圾場或是直接暴露於自然環境中。
據統計，全球有52%的海龜吞食過塑料碎片
聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）就是其中最具有代表性的一種。這種常用於製造紡織品和塑料瓶子的聚酯塑料，全球每年要生產將近7000萬噸。然而，絕大部分的PET塑料都被製成了一次性消費品，回收利用率不高。同時，由於難以通過熱熔或者溶液處理進行循環利用，PET也是最難回收利用的塑料之一。
根據無境深藍潛水員海洋保護聯盟（Better Blue）整理的數據，僅2016年全球生產了4800億過PET塑料瓶，回收不到一半，大多數被掩埋或流入大海。
塑料廢品填埋處理後，需要幾百年甚至上千年的時間才能被自然環境分解，還會對土壤造成汙染。回收處理PET塑料的方法也存在著成本高、改變性質、釋放有害氣體等問題。
近幾年，科研人員找出了生物回收法，即讓微生物或降解酶把PET塑料「吃掉」，並消化為組成分子，再由人們回收利用。然而，這些微生物們消化塑料垃圾的速率有限，在數量巨大的PET垃圾面前可謂是杯水車薪。
僅2016年全球生產了4800億過PET塑料瓶|圖片來源網絡
如何提高酶的降解效率是困擾科學家們的一個難題。
近日，法國土魯斯大學的一個團隊宣布其找到了一種可以在10個小時內水解90%PET的酶。成果發表於權威期刊Nature。相較於自然降解、回收利用和之前的生物分解法來說，這種水解酶不但高效安全可靠，價格也較為低廉。其分解產物製備而成的塑料與化石原料合成的純PET還有著極為相似的特性。
在前人的研究基礎之上，土魯斯大學的科研團隊先對嗜熱裂孢菌水解酶1和2（BTA1和BTA2），茄病鐮孢角質酶（FSC），和葉分支堆肥角質酶（LCC）等幾種不同水解酶進行了一場「考試」。將他們置於最佳條件下進行實驗，並篩選出了其中的「天選之子「LCC。這種水解酶不但在比拼中表現出了最好的熱穩定性，其反應效率還非常高，至少是任何其他測試酶的33倍。
但是，原始狀態下的LCC酶的能力還不足以成為「塑料殺手」，尚需經過科學家的修煉打磨。
PET有兩種形態，質密的結晶形態和鬆散的形態。一般來說，塑料製品生產者會根據其所需要的狀態來按比例混合兩種形態的PET。而結晶狀態下的PET結構穩定導致酶「無從下口「，水解的速率就會大大降低。要想讓PET變得鬆散易分解，就需要藉助高溫的力量，改變結晶的狀態。
道理都懂了，加溫不就完事了？
您還別說，這可真不是加溫就能解決的事情。高溫確實可以使PET變得鬆散易分解，但是眾所周知，酶是一種怕熱的生物啊。在高溫狀態PET戰鬥力下降了，但是水解酶也很容易失活，還沒戰鬥就先被溫度。
如何保證LCC在高溫下依然保持極高的活性？
為了讓水解酶能夠在高溫下與PET搏鬥，科研人員開始尋找已知的二價金屬結合位點來增加LCC的熱穩定性。先前的實驗表明，鈣離子能夠增加LCC的熱穩定性。但是考慮到反應成本和下遊的純化需求，科研人員最終採取了用二硫鍵26取代二價金屬結合位點的替代策略。這種方法改良後的LCC能夠在94.5°C的環境中存活，而其活性僅僅降低了28%。
科研團隊利用金屬結合位點提升水解酶熱穩定性 | 圖片截自Nature
但是科學家們並不滿足於這個結果。他們在新的改良水解酶中添加了兩個會導致最高比活性的突變，產生了一大批新變體。科研人員通過比較活性和耐熱度，這些新變體中挑選出了最優的幾種。這些經過改造加工的水解酶新變體不僅保留了與原始LCC相似或更高的比活性，存活溫度還提高了9.3°至13.4°C。可謂是優秀的「吃塑料專業戶「。
在這種酶的幫助下，PET的水解效率從20小時分解不到50%躍升至15個小時消化85%。如果有計算機輔助營造理想環境，分解效率甚至可以高達10小時-90%。相比於用化石原料合成的純PET製品，由LCC水解產物製備的塑料製品無論是機械性能還是透光度都十分相似，達到了PET瓶的使用標準。
新型水解酶這麼厲害，那製造成本會不會很高呢？
和先前的回收方法相比，水解酶的生產成本可以說是十分低廉。據估算，改良生產一公斤水解酶的成本約為25美元，而回收1噸PET所需的水解酶成本僅1噸純PET價格的4％。這個價格雖然還是比化石原料高昂，但在全球迫切需要解決塑料回收處理問題的當下，法國團隊的這項研究成果對於人類解決白色垃圾問題帶來了曙光。
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但是，僅僅靠提升降解速率、降低處理成本並不能從源頭上解決塑料帶給地球環境的威脅。國際上的環保公益組織、藝術家、科學家等方方面面，都在通過自己的努力喚醒人類對白色垃圾對警惕和增強環境保護意識，呼籲人類在生活中改變塑料製品的消費使用習慣，儘量避免使用一次性塑料製品；同時，科研人員也正在致力研製塑料的替代產品，用與其性質相似、可降解、易回收的新材料來逐步減少塑料的需求量。
(責任編輯：小文）
參 考 文 獻
[1] Tournier, V., Topham, C.M., Gilles, A. et al. An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles. Nature 580, 216–219 (2020).
連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4
[2] 周星,邢科,方長青,李亞光,李夢堯,宋婧.包裝廢棄PET瓶的處理及再生資源化技術研究進展.包裝學報,2019,11(3):16-23.
[3]孫益榮,吳敬,宿玲恰.特異腐質黴角質酶在大腸桿菌中的表達和發酵優化.食品與機械,2018,34(4):1-5.
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