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酶可使塑料在10小時內分解率達到90%,而且價格也很便宜
發布時間:2020-04-14 19:05:09   幫助了94人
摘要:塑料是一種偉大的化學材料發明,但是其難于分解的特性導致塑料產品在全球范圍內出現“消化系統疾病”。近年來,微塑料廢物對環境的污染更加令人震驚。法國研究人員設計了一種酶,可以有效分解塑料-聚對苯二甲酸乙二酯(PET)的常見形式。


如果業務成功,它將幫助社會解決我們面臨的具有挑戰性的塑料問題之一。 3月8日,相關論文在新刊《自然》上發表,標題為“一種工程塑料解聚酶,用于分解和回收塑料瓶”,并作為封面文章出現。樸茨茅斯大學酶創新中心的約翰·麥基恩(John McGeehan)表示:“這是向前邁出的一大步。” 《科學》雜志甚至報道“‘邁出了一大步。’突變酶可以大大改善塑料瓶的回收利用。”年產7,000萬噸的PET塑料聚對苯二甲酸乙二酯(PET)是世界上常用的塑料之一,年產量約為7000萬噸。 PET有許多用途,包括拉伸強度非常高的薄膜(以聚酯薄膜形式銷售)。但是它仍被普遍用于塑料飲料瓶,這是環境塑料廢物的主要成分。 PET最早于1940年代開發。到2016年,科學家發現了第一種可以分解和利用PET中碳的活生物體,PET中的碳存在于塑料回收設施附近的沉積物中。盡管像這樣的微生物可以解決塑料廢物的問題,但是由于PET的碳主鏈最終會完全分解,因此它們無法使塑料更具可持續性。這意味著必須不斷提供新材料來替換損壞的PET容器,該容器目前主要來自石化產品材料。

 PET是由氧和碳原子連接的許多碳環的集合。為了以允許回收的方式分解它,這些碳-氧鍵不會斷裂,會釋放大量的環,然后可以將它們重新連接。當前正在消化PET的微生物也會破壞該環,使其不適合回收利用。過去,回收公司經常最終混合許多不同顏色的塑料。然后,他們使用高溫將其熔化以生產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品。相反,這種材料通常會變成地毯或其他低級塑料纖維,最終將被填埋或焚化。但是,科學家發現了許多可以破壞PET連接的酶。這些都具有破壞葉子表面上蠟狀涂層的作用,稱為“角質”(使這些酶成為角質酶)。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酶并測試了它們分解PET的活性。最活躍的是堆肥(稱為“葉枝堆肥酶(葉枝堆肥)角質酶)“),在2012年,大阪大學的研究人員在堆肥中發現了這種酶。它可以切割PET的兩個成分:對苯二甲酸酯和乙二醇之間的鍵。但是LLC進化了它可以破壞蠟質保護層的特性。它只能緩慢破壞PET鍵,然后在65°C(PET開始軟化的溫度)下使用幾天后就會破裂。具有相同的化學式,材料可以固化為兩種形式:緊密堆積的結晶形式和相對疏松,無序的形式,大多數由PET制成的材料都具有這兩種形式,同時,制造商會調整其含量比率以制造具有相應材料的塑料但是,由于緊密堆積的結晶形式,即使是有效的酶也很難消化這些塑料,幸運的是,有一種局部解決方案:加熱任何形式的PET都會引起一些不適。苯乙烯PET熔化成無序形式,從而消化更多的PET。但是,這正面臨新的問題。問題在于酶本身經常融化,并在65°C或150°F以上的溫度下失活。

此外,這些酶會分解成不同的聚合物,因此不能期望在PET上很好地起作用。為了使酶在PET上更好地工作,可持續塑料公司Carbios的首席科學官Alain Marty與圖盧茲大學的酶工程專家Isabelle Andre合作。他們首先分析了角質酶的結構,并進行了模擬,以弄清PET與酶相互作用的“活性位點”。他們發現它適合酶表面上的凹槽,包括可以切割PET的地方。為了提高PET在凹槽中的貼合度,研究人員創建了大量的突變酶,以不同的組合改變凹槽內的每個氨基酸。盡管它們中的大多數幾乎消除了酶的活性,但實際上增加了酶的活性,并被用于進一步的研究。第二個問題是酶承受高溫的能力。結果,研究人員找到了線索:許多酶通過與將酶的兩個部分結合在一起的金屬離子相互作用而得以穩定。因此,從最初的酶版本開始,研究人員設計了兩個氨基酸,可以在兩個部分之間形成化學鍵(二硫鍵)。此酶版本在高溫下比原始版本更穩定。研究人員生產了數百種突變酶,這些突變酶改變了結合位點的氨基酸并添加了熱穩定酶。然后,他們在細菌中產生了大量突變體,并對其進行篩選以找到有效的PET破膠劑。重復此過程數輪后,他們分離出一種突變酶,其PET鍵斷裂效率比天然LLC高10,000倍。它也可以在72°C下工作而不會破壞PET的熔融溫度。通過結合所有這些變化,研究人員設計了四個四重變體(ICCG,ICCM,WCCG和WCCM),它們的比活都比野生型LCC相似或更高,并且熔解溫度相對提高。解聚試驗的結果發現,ICCG和WCCG的轉化率很高,分別在20和15小時達到82%和85%。一種高效且廉價的解決方案使用這種PET來源,原始酶可以在20小時內消化大約一半。

研究小組制作的修改版本僅15小時即可達到85%的分解率。和在進一步優化條件后,他們能夠在10小時內達到90%的PET分解率。盡管仍有一些殘留的結晶PET,但他們發現這些酶可以吸收1000公斤的PET廢料,然后從中產生863公斤的原料。換句話說,他們重新設計的酶在消化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準的工業反應來制造新的PET產品。新產品的耐壓性僅比標準化學來源的PET測得的值低5%。在外觀上,它是常規生產的PET的10%以內。與常規石化原料相比,使用再生PET的成本是多少?作者估計,如果這種蛋白質的生產成本約為每公斤25美元,那么該工藝的成本最終將約為由其制成的PET成本的4%。盡管它可能不像石化產品那樣便宜(尤其是在現在油價暴跌之后),但是它將相對不受未來價格沖擊的影響,并且更具可持續性。

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