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        最快二十四小時內完全降解塑料!德克薩斯大學團隊通過機器學習開發(fā)全新PET水解酶

        2022-08-20 00:35:38
        海外星云 2022年14期
        關鍵詞:水解酶酸堿度塑料制品

        塑料袋可以說經歷了從人類“最偉大的發(fā)明之一”到“最糟糕發(fā)明”的一個過程。最初,塑料袋因輕便、實用且便宜的特點出現(xiàn)在生活中的各個地方,然而無節(jié)制的使用卻使其變成了令人頭疼的“白色污染”。近年來,一次性塑料用品在市面上的盛行更加重了塑料的泛濫使用現(xiàn)象。

        據了解,全球每年的塑料總產量在3億噸以上,而最終被回收再利用的塑料量不足10%。那些被廢棄的塑料變成微塑料、纖維和塑料碎片等,在各處散落,使得當地的土壤與水源都受到了污染,帶來嚴峻的生態(tài)挑戰(zhàn)。因此,如何緩解日益嚴重的塑料廢物,成為當下的一大難題。

        酶降解為塑料廢物的回收再利用提供了一種綠色環(huán)保且可擴展的有效途徑。過去十多年里,有不少針對塑料降解酶的研究取得了多方面的進步。但是這些研究中尚存在一個未能破解的問題,即如何使塑料降解酶在低溫下有效發(fā)揮作用,以實現(xiàn)其大規(guī)模工業(yè)場景下的低成本投放。

        近日,美國德克薩斯大學奧斯汀分校化學工程系的哈爾·阿爾珀教授團隊,使用基于結構的機器學習算法開發(fā)出一種活躍的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)水解酶FAST-PETase,該水解酶可以在幾天、甚至幾小時內完全降解之前幾個世紀才能被處理掉的PET類塑料。該研究為塑料的大規(guī)?;厥蘸驮倮脦砹诵碌目尚蟹桨?,有望大幅降低環(huán)境污染并推動循環(huán)碳經濟的實現(xiàn)。

        相關論文以《PET解聚水解酶的機器學習輔助工程》為題發(fā)表。

        相關論文

        PET是現(xiàn)在世界上使用最廣泛的塑料之一,被用于礦泉水、飲料、日用品、零食和各種家用電器等商品的外包裝中,占到全球塑料消費總量的6%。

        此前,有不少科學家提出能降解PET的酶。2020年,來自法國圖盧茲大學的研究團隊更是開發(fā)了一種能夠在10小時內降解完成大部分PET塑料的新型水解酶,該水解酶不僅在效率上超過了之前所有PET水解酶,而且水解后產生的單體和石化材料中的單體具有相同特性,極大地推動了PET塑料制品的回收和再利用。

        需要注意的是,大部分PET水解酶僅在極高反應溫度以及高度催化底物的作用下,能夠表現(xiàn)出顯著的活性;而在中等溫度與中性的酸堿度條件下,其水解活性普遍較差。這在很大程度上影響了PET廢物的原位/微生物降解方案發(fā)揮作用,并加大了塑料廢物處理活動的整體運營成本。

        據了解,自然界中還存在一種可有效降解PET的天然酶Ideonella sakaiensis 201-F6,也被稱為PETase酶。但該酶的主要缺點是,其只降解預處理后的PET廢物,并且僅能在一定范圍內的酸堿度和溫度條件下發(fā)揮作用,降解速率也比較有限。

        在此次研究中,該團隊運用機器學習的算法模型對PETase酶做了工程改造和測試,開發(fā)出一種同時具有功能性、活性、穩(wěn)定性和耐受性的PET水解酶FAST-PETase。

        FAST-PETase酶降解不同PET塑料制品的應用

        該團隊介紹,“與野生型的PETase酶相比,F(xiàn)AST-PETase酶共含有5個突變,并具有更高的PET降解活性。而且,F(xiàn)AST-PETase酶可以在低于50攝氏度以及一系列不同的酸堿度條件下,將PET解聚、降解成小分子?!?/p>

        為進一步驗證FAST-PETase酶降解不同PET塑料制品的效果,研究人員還用該酶分別去處理了51種消費者常用的PET塑料制品,其中包括各種塑料容器和商用聚酯產品等。結果表明,F(xiàn)AST-PETase酶能夠在一周內徹底降解這些PET塑料制品。在一些特定條件下,這種酶甚至能在不到一天的時間內就將PET全部解聚為單體。

        此外,研究人員還基于采用FAS TPETase酶降解PET而獲得的單體,再次制備出一類PET,展示了一個閉環(huán)的PET回收過程。該團隊稱,“我們可以從3克有色PET中生產出約2.8克無色PET,且這類PET可用于合成食品級包裝材料?!?/p>

        總體而言,該研究不僅可以推動塑料制品的有效回收和再利用,從而緩解環(huán)境中的“白色污染”,而且?guī)砹艘环N能在工業(yè)規(guī)模上進行酶塑料綠色回收的可行途徑。

        阿爾珀教授表示,“通過這項最先進的回收技術,各行業(yè)可以看到無盡的可能性?!?/p>

        下一步,該團隊打算進行FAST -PETase酶的規(guī)模化生產,以實現(xiàn)其在工業(yè)中的廣泛應用,包括工業(yè)垃圾中的塑料清理以及生產環(huán)境修復等。

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