塑料是现代生活中随处可见、不可或缺的重要材料，但是随之出现在白色垃圾也为自然环境带来了很大的负担。据估算，全球每年生产的3.59亿吨塑料中，有1.52亿至2亿吨被堆积在垃圾场或是直接暴露于自然环境中。
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）就是其中最具有代表性的一种。这种常用于制造纺织品和塑料瓶子的聚酯塑料，全球每年要生产将近7000万吨。然而，绝大部分的PET塑料都被制成了一次性消费品，回收利用率不高。同时，由于难以通过热熔或者溶液处理进行循环利用，PET也是最难回收利用的塑料之一。根据无境深蓝潜水员海洋保护联盟（Better Blue）整理的数据，仅2016年全球生产了4800亿过PET塑料瓶，回收不到一半，大多数被掩埋或流入大海。塑料废品填埋处理后，需要几百年甚至上千年的时间才能被自然环境分解，还会对土壤造成污染。回收处理PET塑料的方法也存在着成本高、改变性质、释放有害气体等问题。近几年，科研人员找出了生物回收法，即让微生物或降解酶把PET塑料“吃掉”，并消化为组成分子，再由人们回收利用。然而，这些微生物们消化塑料垃圾的速率有限，在数量巨大的PET垃圾面前可谓是杯水车薪。仅2016年全球生产了4800亿过PET塑料瓶|图片来源网络
近日，法国图卢兹大学的一个团队宣布其找到了一种可以在10个小时内水解90%PET的酶。成果发表于权威期刊Nature。相较于自然降解、回收利用和之前的生物分解法来说，这种水解酶不但高效安全可靠，价格也较为低廉。其分解产物制备而成的塑料与化石原料合成的纯PET还有着极为相似的特性。在前人的研究基础之上，图卢兹大学的科研团队先对嗜热裂孢菌水解酶1和2（BTA1和BTA2），茄病镰孢角质酶（FSC），和叶分支堆肥角质酶（LCC）等几种不同水解酶进行了一场“考试”。将他们置于最佳条件下进行实验，并筛选出了其中的“天选之子“LCC。这种水解酶不但在比拼中表现出了最好的热稳定性，其反应效率还非常高，至少是任何其他测试酶的33倍。但是，原始状态下的LCC酶的能力还不足以成为“塑料杀手”，尚需经过科学家的修炼打磨。PET有两种形态，质密的结晶形态和松散的形态。一般来说，塑料制品生产者会根据其所需要的状态来按比例混合两种形态的PET。而结晶状态下的PET结构稳定导致酶“无从下口“，水解的速率就会大大降低。要想让PET变得松散易分解，就需要借助高温的力量，改变结晶的状态。您还别说，这可真不是加温就能解决的事情。高温确实可以使PET变得松散易分解，但是众所周知，酶是一种怕热的生物啊。在高温状态PET战斗力下降了，但是水解酶也很容易失活，还没战斗就先被温度。为了让水解酶能够在高温下与PET搏斗，科研人员开始寻找已知的二价金属结合位点来增加LCC的热稳定性。先前的实验表明，钙离子能够增加LCC的热稳定性。但是考虑到反应成本和下游的纯化需求，科研人员最终采取了用二硫键26取代二价金属结合位点的替代策略。这种方法改良后的LCC能够在94.5°C的环境中存活，而其活性仅仅降低了28%。
科研团队利用金属结合位点提升水解酶热稳定性 | 图片截自Nature
但是科学家们并不满足于这个结果。他们在新的改良水解酶中添加了两个会导致最高比活性的突变，产生了一大批新变体。科研人员通过比较活性和耐热度，这些新变体中挑选出了最优的几种。这些经过改造加工的水解酶新变体不仅保留了与原始LCC相似或更高的比活性，存活温度还提高了9.3°至13.4°C。可谓是优秀的“吃塑料专业户“。在这种酶的帮助下，PET的水解效率从20小时分解不到50%跃升至15个小时消化85%。如果有计算机辅助营造理想环境，分解效率甚至可以高达10小时-90%。相比于用化石原料合成的纯PET制品，由LCC水解产物制备的塑料制品无论是机械性能还是透光度都十分相似，达到了PET瓶的使用标准。和先前的回收方法相比，水解酶的生产成本可以说是十分低廉。据估算，改良生产一公斤水解酶的成本约为25美元，而回收1吨PET所需的水解酶成本仅1吨纯PET价格的4％。这个价格虽然还是比化石原料高昂，但在全球迫切需要解决塑料回收处理问题的当下，法国团队的这项研究成果对于人类解决白色垃圾问题带来了曙光。
Photo by Martijn Baudoin on Unsplash但是，仅仅靠提升降解速率、降低处理成本并不能从源头上解决塑料带给地球环境的威胁。国际上的环保公益组织、艺术家、科学家等方方面面，都在通过自己的努力唤醒人类对白色垃圾对警惕和增强环境保护意识，呼吁人类在生活中改变塑料制品的消费使用习惯，尽量避免使用一次性塑料制品；同时，科研人员也正在致力研制塑料的替代产品，用与其性质相似、可降解、易回收的新材料来逐步减少塑料的需求量。
[1] Tournier, V., Topham, C.M., Gilles, A. et al. An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles. Nature 580, 216–219 (2020).
链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4
[2] 周星,邢科,方长青,李亚光,李梦尧,宋婧.包装废弃PET瓶的处理及再生资源化技术研究进展.包装学报,2019,11(3):16-23.
[3]孙益荣,吴敬,宿玲恰.特异腐质霉角质酶在大肠杆菌中的表达和发酵优化.食品与机械,2018,34(4):1-5.