Science/Nature同时报道：破局人类生存困境，塑料回收技术登上Nature封面
Natt
2020-04-10
导读：目前全球面临的环境问题有全球变暖，水体污染，空气污染，森林锐减等等，其中导致水体污染和空气污染，很大一部分是由我们每天生产的塑料垃圾导致的。塑料的产生已经给生物带来了很多灾难性的后果，许多物种因塑料的不可降解而逐渐锐减，甚至灭绝。塑料污染，已经成为关乎全人类和地球生物生存的关键问题。目前的估计表明，全世界每年生产的3.59亿吨塑料中，有1.5-2亿吨积聚在垃圾填埋场或自然环境中。对生物的具体危害从下图可见微知著。因此，迫切需要开发出可降解塑料的技术。聚对苯二甲酸乙二酯（PET）是世界上最丰富的聚酯塑料，全球每年生产约7000万吨用于纺织和包装。PET的主要回收过程，是通过热机械手段，但这会导致机械性能的损失，性能降低可用性就不强了。所以导致的结果是，工业更希望重新合成PET，而不是回收，从而使得PET废料继续积聚，形成恶性循环。PET是一种极难水解的聚酯，因为其芳香对苯二甲酸酯单元的比例很高，降低了链的流动性。之前一些PET水解酶已被报道，但表现出有限的生产力，所以，想要PET能被水解，还需要一些功夫。2020年4月9日，法国图卢兹大学A. Marty、S. Duquesne和I. André等人描述了一种改进的PET水解酶（改进了一种名为leaf-branch compost cutinase (LCC)的角质酶），该酶在10个小时内最终实现了至少90％的PET解聚为单体，生产率为每升每小时16.7克对苯二甲酸酯（200克/千克PET悬浮液，酶浓度为3毫克/克PET），优化的酶的性能优于迄今为止报道的所有PET水解酶。重要的是，研究人员还表明可以通过酶解聚的PET废料来生产生物回收PET瓶子，其性能与石油化学合成的PET相当，因此可以重复使用以制造瓶子，从而有助于实现循环PET经济的概念。研究成果在线发表于最新一期Nature杂志，并被选为封面文章。同一天，Science官网发表专栏文章，对此技术进行点评。首先，研究人员通过比较几种水解酶和角质酶来降解PET，研究发现LCC角质酶在非晶态PET(Gf-PET)和瓶级PET(Pf-PET)的解聚性能均高于其他几种酶，但是当达到玻璃化转变温度时，LCC反应在65℃下3天后停止，Pf-PET转化率仅为31％。而通过再次加入LCC时，初始动力学可得以恢复，这意味着LCC的热稳定性最有可能成为限制因素。因此，为了优化解聚收率，研究人员试图通过酶工程来改善LCC的活性和热稳定性。研究人员为了鉴定用于诱变的氨基酸残基以提高催化活性，我们使用了分子对接和酶接触表面分析来研究模型底物2-HE(MHET)3在野生型LCC活性位点的结合方式。筛选出高活性的F243位置的变体I和W。为了提高LCC的热稳定性，研究人员在PET水解酶中寻找二价金属结合位点来提高酶的热稳定性。实验证实，通过添加钙离子可提高LCC热稳定，但是为了降低反应成本和广泛的下游净化的需要，研究人员更倾向于避免盐和添加剂，于此，他们采取了二硫键桥取代二价金属结合位点的替代策略，实现LCC在不依赖钙离子的情况下也具有热稳定。研究人员工程化出四种四重变体（ICCG、ICCM、WCCG和WCCM），它们均具有相似或高于野生型LCC的比活性，熔融温度也相对得以提高。在解聚试验结果发现，ICCG和WCCG的转化率最高，分别在20h和15h达到82%和85%。由于每克PET中3毫克酶的比率似乎最大化了PcWPET的解聚，试验结果果真如此，WCCG和ICCG变体分别在10.5h和9.3h内获得90%的解聚。为了在生产率和酶成本之间做出折衷，在中试规模（具有非常高PcW-PET含量（200 g/ kg））的解聚中，研究人员以2 mg每克PET使用了优化的ICCG变体，计算出，回收1吨PET所需的酶成本约占纯PET吨价格的4％。这种高效，优化的酶的性能优于迄今为止报道的所有PET水解酶，包括来自在2016年Science报道的细菌Ideaella sakaiensis菌株201-F6的酶（甚至在次级酶的辅助下）以及近期高度关注的相关的改良变体。作为工艺开发的第一步，研究人员仅回收了占PET重量最主要部分的对苯二甲酸（1吨PET废料可产生863千克对苯二甲酸）。然后使用与工业相关的方法，将对苯二甲酸单体纯化到高于99.8％的水平。另外，在此过程中，每千克再生PET会产生0.6千克硫酸钠。通过该的新工艺，每年回收10万吨PET将产生约60,000吨硫酸钠，占全球硫酸钠市场的0.28％。重要的是，研究人员还表明可以使用此处生产的对苯二甲酸合成纯净的PET，其性能与石油化学合成的PET相当。综上所述，研究人员使用计算机辅助酶工程技术，实现了在不到10 h的时间内将酶催化的PET解聚提高了90％转化率。并使用所得的精制对苯二甲酸单体合成PET，最终将其吹塑成瓶，从而闭合了循环经济的循环。由于全球迫切需要解决塑料处理问题，并且许多政府，国家和国际机构以及制造商致力于实现可持续发展目标以及循环经济的理念，因此本文所述的PET废料的酶处理可能有助于实现这些目标。Tournier,V., Topham, C.M., Gilles, A. et al. An engineered PET depolymerase to breakdown and recycle plastic bottles. Nature 580, 216–219 (2020).https://doi.org/10.1038/s41586-020-2149-4
