酶工程技術用於降解與回收塑料垃圾

2020-09-05 化學通訊

原創 甄文瑤 來源 ：Chemical Newsletter微信公眾號

全球目前每年生產約3.59億噸塑料，其中有1.52億至2億噸被堆積在垃圾填埋場或自然環境中。塑料不僅會造成經濟損失，也會對環境、海洋造成一定的影響。在這些垃圾中，有近7000萬噸的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET，最豐富的聚酯塑料，可用於紡織品和包裝）。科學家們一直在研究有效的方法回收廢棄的塑料以解決塑料垃圾的汙染問題，PET的主要回收手段是熱機械方法，但是這種方法容易導致塑料機械性能的損失。因此，工業上優選從頭合成PET而不是再回收利用，最終導致PET廢物的持續積累。此外，PET具有高比例的芳族對苯二甲酸酯單元（會降低鏈遷移率），這種聚酯很難水解。已經報導的為數不多的幾種PET水解酶的生產率也十分有限。因此，塑料垃圾的降解與回收利用技術的研發是亟待解決的問題。

全球目前每年生產約3.59億噸塑料，其中有1.52億至2億噸被堆積在垃圾填埋場或自然環境中。塑料不僅會造成經濟損失，也會對環境、海洋造成一定的影響。在這些垃圾中，有近7000萬噸的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET，最豐富的聚酯塑料，可用於紡織品和包裝）。科學家們一直在研究有效的方法回收廢棄的塑料以解決塑料垃圾的汙染問題，PET的主要回收手段是熱機械方法，但是這種方法容易導致塑料機械性能的損失。因此，工業上優選從頭合成PET而不是再回收利用，最終導致PET廢物的持續積累。此外，PET具有高比例的芳族對苯二甲酸酯單元（會降低鏈遷移率），這種聚酯很難水解。已經報導的為數不多的幾種PET水解酶的生產率也十分有限。因此，塑料垃圾的降解與回收利用技術的研發是亟待解決的問題。


圖：You eat what they eat. (圖片來源於網絡)


<什麼是塑料垃圾>

塑料是以單體為原料，通過加聚或縮聚反應聚合而成的高分子化合物。因塑料用做包裝材料多為白色，所以因為塑料而產生的垃圾叫白色汙染或者塑料垃圾。

塑料垃圾的危害：

  • 塑料不易降解，埋在地下幾千年甚至幾萬年也不會腐爛
  • 回收過程因為分類困難不經濟核算
  • 累積的塑料垃圾影響環境的美觀
  • 所含成分有潛在危害，燃燒塑料垃圾又會產生有毒物質。例如甲苯、氯化氫、苯等。
  • 動物誤食引起悲劇。比如動物誤吞遊客隨手丟的塑料瓶，會因為不消化而痛苦地死去、一些死去的海鳥或者其他海洋生物的腸胃中會有各種無法被消化的塑料。

<什麼是酶工程技術>

是指工業上有目的的設置一定的反應器和反應條件，利用酶的催化性質的一門應用技術，在一定條件下催化化學反應，生產人類需要的產品或服務於其它目的的蛋白質工程學，它包括：酶製劑的製備，酶的固定化，酶的修飾與改造及酶反應器等方面內容。

<酶工程技術有望解決白色汙染難題>

塑料垃圾已經成為了一個重大的環境問題，每年約2億噸的塑料垃圾堆積在垃圾填埋場或自然環境中。導致該問題的一個重要原因是PET，它廣泛用於製造塑料但是不容易回收利用。據美國的PET協會報導，全球PET回收率維持在大約31%的平均水平。

2016年，來自日本京都工業大學紡織科學研究所的科學家Kenji Miyamoto和其同事們在《Science》上首次報導了可「吞噬」PET的細菌，他們稱之為Ideonella sakaiensis。這種細菌以PET為主要碳源和能量源，在30攝氏度左右即可發揮作用降解塑料垃圾。降解機制為：I. sakaiensis細菌使用一種酶（PETase）先將PET降解為MHET，隨後另一種酶（MHETase）將其降解為對苯二甲酸與乙二醇。這項技術對於塑料的回收利用、環保等方面的意義非常重大。

圖. 生長在PET表面的Ideonella sakaiensis細菌

圖. Ideonella sakaiensis細菌對PET的降解過程

2020年4月9日，來自法國土魯斯大學的阿蘭·馬蒂（Alain Marty）和他的同事們在《Nature》發表題為「An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles」的論文。據報導，他們已經利用計算機輔助酶工程技術設計出一種酶，該酶可以在中試規模下有效地將PET分解為其單體成分。10小時後，團隊的PET水解酶可以使PET解聚至少90％。這種高效的酶性能優於迄今為止報導的所有PET水解酶（包括2016年《Science》報導的來自Ideaella sakaiensis菌株的201-F6的酶以及相關的改良變體，這些變體引起了近期的關注。）更重要的是，所得的純化單體具有與石化原料新鮮產生的單體相同的性質，因此可以重複用於製造塑料瓶，從而更接近基於PET的循環經濟理念。該工作也被選為《Nature》該期的封面論文。

<Nature圖文導讀>


圖1. 在PET解聚試驗中，LCC優於所有其他評估的PET水解酶

a) 不同條件下對無定形Gf-PET的比水解活性的比較

b) 如a)中所述，通過LCC進行Pf-PET解聚的詳細水解動力學


圖2. 通過與2-HE(MHET)3底物接觸的殘基飽和，提高誘變後LCC的PET解聚比活性

a) 對接在野生型LCC（灰色色帶）中的2-HE(MHET)3（彩色棒模型）的結構模型

b) 與野生型LCC在65℃下相比，F243I和F243W變體對Pf-PET解聚的比活性提高的百分比


圖3. 通過添加二硫鍵改善LCC的熱穩定性

a) 在確定的PET水解酶晶體結構中與二價金屬離子配位的推定位點的位置。在野生型LCC（色帶）上，催化殘基（S165，D210和H242）和C端二硫鍵（C275-C292）顯示為藍色棒。二價金屬離子顯示為綠色球體

b) 隨著CaCl2濃度的增加，通過DSF評估野生型LCC和238C / S283C變體的解鏈溫度


圖4. LCC變體在消耗後的PET廢料的酶解聚中的改進性能研究

a) 對於WCCG，ICCG，WCCM和ICCM變體以及野生型LCC在1 mgenzymegPET-1下PcW-PET解聚動力學的比較

b) 對於WCCG和ICCG變體，在3 mgenzymegPET-1下PcW-PET解聚動力學的比較


<結論>

PET降解酶的發現給塑料垃圾的降解與回收利用打開了一扇門，從最初日本的科學家在垃圾山發現奇異的嗜PET細菌，到分離出相應的降解酶，再到來自法國的科學家們利用計算機輔助酶工程技術將酶的性能提升，無不體現了自然的神奇與智慧的偉大。使用計算機輔助酶工程技術，可以在不到10小時的時間內將酶催化的PET解聚的轉化率提高到90％以上。法國作者使用所得的精製對苯二甲酸單體合成PET，最終將其吹塑成瓶，從而實現了循環經濟可回收。全球目前迫切需要解決塑料的處理問題，倡導可持續性發展和循環經濟的理念，雖然距離真正普遍的實用化酶工程技術降解與回收塑料仍然有漫長的道路要走，但是最新進展所述的PET廢棄物的酶處理可能有助於實現以上目標。


參考文獻：

1. An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles， Nature, 2020.

連結：https://www.nature.com/nature/subscribe

2. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science 2016.

相關焦點

  • 科學家合成出新型「超級酶」，降解塑料速度提升6倍
    每年，數以百萬噸計的塑料垃圾要麼被填埋，要麼被焚燒，汙染遍及整個地球，部分塑料汙染嚴重的地區，人類和動物體內都不知不覺已經攝入了微型塑料顆粒，不僅缺乏高效的回收手段，而且每天還有更多的新塑料從石化資源中產出，塑料垃圾不斷累積形成惡性循環。
  • 塑料的循環經濟 塑料降解和回收的生物技術解決方案
    塑料經過大約100年的生產，到現在塑料顆粒幾乎無處不在：在地下水、海洋、空氣和食物鏈中，全世界都在用生物技術方法來解決這一塑料危機。然而，大多數的進展僅限於一種特定類型的塑料，即聚酯，如PET。Ren Wei在《自然催化》雜誌上發表的一篇評論中，對當前的研究狀況進行了批判性的討論，並提出了塑料生物循環經濟的策略。為了實現塑料的循環經濟，需要複雜的解決方案。
  • 「超級酶」降解塑料速度快6倍
    來源：新華網英國和美國一項聯合研究發現，將兩種能降解塑料的酶結合在一起，可以將原先僅靠一種酶降解塑料的速度提高6倍。 英國樸次茅斯大學和多家美國研究機構的研究人員發現，將名為PETase和MHETase的兩種酶混合在一起，它們降解塑料的速度比只用PETase快2倍，而如果把兩種酶結合成一種「超級酶」，降解速度比單獨用PETase快6倍。
  • 這個超級生物酶能分解塑料,科學家無意中將它「升級」
    人們利用酶的這些性質，人工製備生物酶，將其用於洗滌劑、原油汙染處理、生物質燃料製備、殺滅有害細菌等場合。這次新升級的PET降解酶就是人類最新研發的生物酶之一。&塑料回收再利用&現有生物可降解塑料 由於PET這類高聚物中各單體間的化學鍵很難被普通方式破壞，在普通的塑料回收過程中，僅僅可以實現原料的降級再利用。
  • 科學家發現可以幫助降解PU塑料的微生物
    不幸的是，聚氨酯很難回收利用或銷毀，因為大多數這類塑料都是熱固性聚合物，加熱時不會熔化。這些垃圾大部分最終進入垃圾填埋場，而這種處理方式會釋放出許多有毒化學物質，其中一些具有致癌性。該項目致力於尋找能夠將油基塑料轉化為可完全生物降解塑料的微生物。顧名思義，該項目專注於一種名為惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida)的細菌。
  • 微塑乾貨——科學家發現可以幫助降解PU塑料的微生物
    這一發現邁出了能循環使用難以回收PU產品的重要一步。」塑料行業的「百度」+「京東」平臺，官網建設、商場進駐、小程序開發，就加WEISU9988不幸的是，聚氨酯很難回收利用或銷毀，因為大多數這類塑料都是熱固性聚合物，加熱時不會熔化。
  • 一種酶在10小時內降解200克的PET塑料,效率高達90%
    2020年4月13日訊/生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自法國多家研究機構的研究人員對一種常見的酶進行基因改造，使得它可以高效地斷開將聚對苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate, PET）的構成單元（即PET單體）連接在一起的化學鍵。
  • 化學回收、細菌分解，十八般武藝齊上陣，能解決塑料難題嗎？
    對她和許多從事塑料垃圾問題的人來說，問題不在於塑料本身，而在於我們對塑料垃圾的不良管理。令人欣慰的是，隨著物理技術的發展，塑料的回收、再利用和循環利用正變得越來越容易。但是，儘管目前已經取得了一定的進展，最大的挑戰可能還沒有到來。
  • 降解塑料、生物分解塑料、可堆肥塑料與生物基塑料的區別
    要解決的關鍵問題是原塑料廢棄後處理不當下的白色汙染問題。所以它的原料可能是生物基地，也可能是石化基地。目前，塑料製品在使用和廢棄後，有幾種處理方式：第一種處理方式是塑料製品廢棄後分類回收，這也是首選的處理方式。2008年，我國國家標準《塑料包裝產品標誌》修訂為《塑料產品標誌》。
  • 突變體酶有望成為治理白色汙染的利器
    2020年4月8日，《Nature》雜誌刊登的一項研究，拓寬了人類高效降解塑料和治理白色汙染的道路。本研究中，來自法國的多名研究人員，利用工程改造技術，將原有的一種低效PET塑料降解酶，構建成了一種能高效降解PET的突變體酶，並發現用該酶降解得到的材料，製作的塑料製品強度未下降，PET塑料的再利用率被有效提高。
  • 塑料降解新成果，解決白色垃圾，再也不用等200年了
    儘管如此，人們生活的方方面面仍充斥著各種塑料產品。它們給人類生活帶來了極大的便利，也因難以自然降解而造成巨大危害。廢棄的塑料製品即使埋在地下200年也不會腐爛降解，還會破壞土壤的通透性，影響植物生長。一直以來人們都在尋找快速降解塑料製品的方法，並呼籲減少塑料製品的使用。
  • ECHO發布固體在生(回收)燃料生物降解呼吸儀(土壤/堆肥/塑料)新品
    )燃料生物降解呼吸儀DRI技術使用真實動態呼吸指數（DRI）確定檢測固體垃圾衍生燃料」- RDF）是由非危險廢物準備的固體燃料，用於焚燒或混合焚燒廠的能量再生(回收它們可以來自家庭垃圾，商業垃圾，工業垃圾和其他可燃垃圾。它們已被用於替代水泥窯，發電站和工業鍋爐中的化石燃料。
  • 塑料汙染治理難,回收利用Or可降解該用哪種方式?
    有數據顯示，全球每年生產超過3.3億噸塑料，每年使用5000億個塑膠袋，每分鐘就會售出約100萬個塑料瓶，預計到2050年這一數字將增加兩倍。同時，還有部分塑料垃圾流域海洋，影響了海洋的環境。在此背景下，塑料汙染治理被提上日程。
  • 塑膠袋是什麼垃圾 為什麼廢塑料可回收而塑膠袋卻不回收
    溼垃圾指易腐爛的垃圾，通常是廚餘垃圾。而塑膠袋則不易腐爛，不易降解，它是幹垃圾。注意，正因為塑膠袋是幹垃圾，所以，在扔垃圾的時候，大家應該將垃圾袋破袋，將裡面放的溼垃圾放入溼垃圾垃圾桶，再把塑膠袋放進幹垃圾的垃圾桶。
  • 生物降解塑料PBAT/PBS應用介紹
    根據生物降解塑料的來源可分為生物基生物降解材料和石化基生物降解材料,PBAT屬於石化基生物降解塑料，是目前生物降解塑料研究中非常活躍和市場應用最好的降解材料之一。詳細的PBAT介紹大家可查看視頻，在此不過多介紹。
  • 科學家研製出利用回收廢物製成的新型塑料
    一種由回收廢物製成的新型塑料在不到一年的時間內就會降解。這種物質名為聚羥基丁酸酯，不久將被主要用於生產和分解一次性產品，對環境友好。這種創新材料可以通過弗勞恩霍夫生產系統和設計技術研究所IPK及其合作夥伴開發的新工藝進行工業規模生產。日常生活中沒有塑料是很難想像的。
  • 塑料垃圾越來越多?我們有能「吃」塑料的細菌了!
    最近，日本京都工藝纖維大學（Kyoto Institute of Technology）的科學家小田耕平（Kohei Oda）課題組發現了一種相當有潛質的微生物。他們的研究論文[1]近日發表在最新一期的《科學》雜誌上。負責進行生物降解工作的主要群體是微生物，對它們來說，降解的主要目的是「填飽肚子」。
  • 可降解回收的熱固性塑料成為現實 可應用於更廣泛的...
    熱固性塑料擁有高強度、耐用等特點，目前廣泛應用在汽車車身/輪胎、加熱電器等部件製造中，在現代塑料和橡膠工業中起著關鍵作用。它約佔當今生產的聚合材料的20％，全球年產量約為6500萬噸。不過，這種材料有一個明顯的一個缺點：它們在冷卻、使用後通常不容易回收或分解，因為將它們結合在一起的化學鍵比其他材料（如熱塑性塑料）中的化學鍵更為牢固。
  • 新技術能將90%以上的聚烯烴塑料回收轉化 ​
    研究負責人Linda Wang說：「我們的策略是通過將聚烯烴廢物轉化為各種有價值的產品，包括高分子聚合物、石腦油(碳氫化合物的混合物)、或者清潔能源，來創造回收的驅動力。我們的轉化技術具備潛力提高回收行業的利潤，並減少世界的塑料廢物。」　　普渡大學的研究生Wang, Kai Jin和博士後研究員Wan-Ting (Grace) Chen是這項技術的發明人。
  • 大洋底部驚現1500萬噸塑料，糞便中檢出塑料，誰是頭號嫌疑？
    ，或者丟棄在野外路邊，更多的則是隨著河流衝入了大海，而塑料的降解十分漫長，一個礦泉水瓶降解時間超過450年，儘管這也是一個有限時間，但對人類來說幾乎就是一個半永久性的周期，因為人類生產的速度遠遠超過降解的速度！