拆塑料的定制酶，解决回收难题︱《自然》论文荐读
原文作者：Eggo U. Thoden van Velzen & Giusy Santomasi
可被回收制作成食品包装的PET塑料（聚对苯二甲酸乙二醇酯，ethylene terephthalate）废弃物数量有限，因此使得原料短缺。现在，研究人员发现了一种酶，可拓宽原料的选择。
塑料是极其有用的材料，特别适合用作包装和其它各种消费品，但是管理不善的塑料废弃物会造成土地和海洋污染。原则上，这个问题可以通过废弃物回收来预防（图1）。机械回收是常用的回收方法，涉及将塑料废弃物熔化和再加工。然而，许多塑料产品并非为机械回收而设计的，因此生产出来的材料的素质低于原始塑料。
由广泛使用的PET塑料和其它几种常用聚合物为主要原料的物品，可以被转换回分子结构的组件（单体），聚合物就是由这些分子单体构成的。随后单体可提纯并再聚合，制造出新的塑料，这是一种“闭环”回收方式。标准的化学解聚过程是能源密集型的，需要大量的碱和酸，因此在经济或生态上都不可行。一个可能的解决方案是使用酶，但长期以来，因为没有适合工业规模塑料解聚活性的酶，阻碍了这一回收策略的发展。近日，Lu等人[1]在《自然》上撰文，报道了一种PET降解酶的工程变体，可能实现接近闭环回收常用的、非为机械回收设计的PET塑料产品。
图1 | 印度尼西亚泗水（Surabaya）地区收集回收的塑料瓶。目前，只有饮料瓶等少数几种PET废塑料（聚对苯二甲酸乙二醇酯）产品可在其废弃后被回收制成食品级回收PET。Lu等人[1]报道发现了一种酶，可用于回收其它PET废弃物。来源：Juni Kriswanto/AFP/Getty
PET可以被用来制作各式包装，比如，托盘、容器、杯子和气泡袋，特别是对透明的食品级回收PET（rPET）的需求，在过去20年里大为增加[2]。目前，高质量的rPET是由押金制度收集的饮料瓶制成的，因为这些瓶子是为回收再利用专门设计，并且回收方法预防了错误分类。使用押金制度的国家数量正在稳步增长，提高了高质量rPET的产量。即便如此，PET饮料瓶的市场仍然相对较小，无法为更大的PET包装市场提供足够的材料。此外，收集和分类好的PET瓶短缺，极大推高了这种原料的成本。
因此，为获得更多的食品级透明rPET, 关键点在于对非瓶类PET的收集和回收。为达到回收材料所需质量，人们已经尝试了很多办法。一些回收公司接收专为回收设计的托盘——即不包含其它聚合物成分的托盘。另外一些公司开发了化学回收方法，包括彩色PET瓶子的解聚、过滤和再聚合工艺。但这些原料数量仍然有限。
相比之下，在许多欧洲国家，越来越多收集和分类好的废弃PET托盘可以免费取得——事实上，有时回收它们的公司甚至能收到一笔服务费。这些PET废弃物包括用于装食品的托盘和蛤壳状包装，以及杯子、带盖容器和气泡袋。大多数的PET托盘被用于气调包装的肉类、鱼和奶酪，以助这些食物在冰柜或冰箱中储存，这些托盘含一层PET薄膜，其上会覆盖一层其它塑料（聚乙烯）。聚乙烯内层可以使托盘快速可靠地密封，这对于保持食品安全至关重要。然而，这一层重要的材料使机械回收变复杂了，因为它与透明PET混合会产生浑浊的混合物。这种混合物虽也能用于生产托盘，但市场上绝大部分份额还是透明食品级rPET占据着。
使用化学工艺回收分类好的PET托盘的尝试一直未能成功。这一过程涉及在碱性催化剂帮助下，在乙二醇中以195°C煮沸塑料，常称为皂化。然而，来自非PET材料（如，聚乙烯、印刷油墨、标签等）的残留物在沸腾的乙二醇中会形成凝胶，阻碍皂化PET的过滤和进一步加工。
基于酶分解PET的回收方法可能有助于解决这些问题。此前人们已经研究过能降解PET的酶和微生物，包括一种很有前途的PET降解细菌，它通过一对酶来完成这项任务[3]——但这种细菌只能降解无定形（非晶态）PET薄膜，并且其解聚反应不完全。此后发现了更具活性的酶，但没有一种降解酶能够在合理的处理时间内完全分解常见的PET废弃物。因此，商业回收公司对其兴趣不大。Lu和同事们发现的降解酶可能会改变这一切。
作者们使用一种机器学习系统预测PET降解酶（PETases）的突变，以期提高酶的热稳定性和活性。通过对突变体进行工程改造和测试，该团队确定了一种酶，和野生型PET降解酶相比，该酶包含5个突变，并且相对于野生型和工程化替代型具有更高的PET降解活性。Lu等人将他们的酶命名为功能性（functional）、活性（active）、稳定（stable）和耐受（tolerant）PET降解酶，简称FAST-PETase。
FAST-PETase在相对“温和”的条件下可以完全解聚PET——即在室温下一周内或在50°C下一天内完成。无定形PET可以直接解聚，而结晶度超过25%的PET（例如用于制造瓶子的PET）需要经过预热处理，使塑料转变为无定形。作者们展示了这种酶可以降解51种未经处理的PET产品（消费者使用过的）样品，表明它有能力处理各种原材料。值得注意的是，由于这种酶在水溶液中的工作温度仅为50°C，混合物中任何来自非PET材料的残留物都不会融化并形成凝胶，这使得解聚的PET溶液比皂化产生的更容易过滤和进一步加工。
作者们表明，FAST-PETase可用于闭环回收，从3克有色PET中可以生产约2.8克无色PET。如果能够开发出一套使用FAST-PETase的商业流程，相当大一部分（例如，荷兰有10%-15%）的塑料包装废弃物将可以在闭环中回收制成食品级透明rPET，准备用于生产新的托盘、容器、杯子和气泡袋。
参考文献：
1. Lu, H. et al. Nature 604, 662–667 (2022).
2. PETCORE Europe. https://www.petcore-europe.org/news-events/409-pet-market-in-europe-state-of-play-2022.html (2022).
3. Yoshida, S. et al. Science 252, 1196–1199 (2016).
利益冲突声明：
E.U.T.v.V.是荷兰瓦赫宁根大学及研究中心食品和生物研究中心高级受托研究员。作为食品包装和塑料包装废弃物回收领域的受托研究员，他与使用包装的快速消费品行业有许多往来。他也被寻求专家意见，关于何谓“可持续包装”，以及什么是这些公司的最佳选择。目前为止这些专家意见无关Lu等人论文中描述的酶技术或其他酶技术，因为这些技术尚不够先进。因此他作为一位包装和回收技术专家，乐于见到此类创新发展成熟。
原文以Tailor-made enzymes poised to propel plastic recycling into a new era为标题发表在2022年4月27日《自然》的新闻与观点版块上
© nature
doi: 10.1038/d41586-022-01075-6
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