Nature：为塑料“量身定制”分解酶，降低塑料污染，助力塑料回收

来源：生物探索 2022-05-15 12:21

全球塑料产量自1950年的150万吨增长至2018年的3.59亿吨，复合增长率为8.4%；其中，

全球塑料产量自1950年的150万吨增长至2018年的3.59亿吨，复合增长率为8.4%；其中，中国塑料产量约占30%，欧盟塑料产量约占17%，北美占18%；2009-2018年间，全球塑料产量增长了1.29亿吨，其中56.4%的增量来自中国。

根据Our World in Data统计，在世界范围内，美国、德国、荷兰、爱尔兰、科威特、圭亚那等国家，比印度、坦桑尼亚、莫桑比克和孟加拉国等国家的人均塑料垃圾产生高出十倍以上（图1）。但是，在总塑料垃圾产生方面，印度、中国、菲律宾、巴西和尼日利亚均高居前列（图2）。这种情况一方面归因于发展中国家庞大的人口数量，另一方面归因于发展中国家对塑料垃圾管理不善，再者发达国家向发展中国家的废弃塑料出口也颇有“贡献”[1]。

图1 全球国家人均塑料废弃物产生量（图源：Our World in Data）

图2 全球国家产生塑料垃圾份额（图源：Our World in Data）

以中国为例，在2017年中国政府全面禁止进口非工业塑料废物之前，中国大陆和中国香港进口了全球贸易塑料废物的72.4%（大部分进口到香港，最终到达中国大陆）。2010年至2016年期间，中国每年进口700-900万吨塑料垃圾，中国国内塑料垃圾产生量约为6100万吨。因此，中国塑料垃圾总量的10-11%是从世界各地进口的（图3）。向中国出口塑料废物的总量占中国进口塑料废物进口总量76%的前10个国家或地区分别为：中国香港、日本、美国、泰国、德国、比利时、菲律宾、澳大利亚、印度尼西亚和加拿大（图4）。

图3 中国塑料垃圾来源（图源：Our World in Data）

注：红色为进口占比，灰色为国内产生占比。

图4 十大废弃塑料出口国家或地区对中国的塑料出口量（图源：Our World in Data）

根据Our World in Data统计，自1950年以来，全球塑料总生产量约为83亿吨，其中约10%被焚烧处理，仅有6%左右被有效回收利用。被回收的塑料经过二次利用后，又会有相当一部分被遗弃或焚烧，最终被焚烧的塑料达到8亿吨，而遗弃或填埋的废弃塑料达到49亿吨。这意味着人类生产的所有塑料制品，有近59%留在了自然界。废弃塑料造成的“白色污染”日益严重，据估算仅漂浮在海面上的海洋塑料垃圾就达25万吨[1]。因此，提升废弃塑料的回收利用率，对减少环境污染至关重要。

Nature：利用酶促反应分解塑料
推动塑料闭环回收

2022年4月27日，Nature发文表示研究人员发现了一种可以满足工业规模塑料降解的酶，可稳定高效分解聚对苯二甲酸乙二醇酯（Poly Ethylene Terephthalate，PET）废弃物，再生食品级包装材料（图5）[2]。

图5 研究成果（图源：Nature）

全球主要的塑料消费结构为：聚乙烯（30%）、聚丙烯（19%）、聚氯乙烯（11%）、聚氨酯（7%）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（6%）、聚苯乙烯（4%），此六类塑料的消费量占比约为77%（图6）。其中PET产品大都是一次性消费品，随之而来的是大量废旧PET材料。废旧PET材料短时间内不易被空气或微生物降解，占据大量空间，造成环境污染和视觉污染，因此对废弃的PET进行回收并进行再生成为了人们的新选择。将非食品级PET废弃物回收，并用于制造食品级PET包装材料，是需要攻克的重大挑战。

图6 塑料的全球使用量占比（图源：生物探索编辑团队原创）

在进行PET回收利用时，需先将PET转变为分子单体，然后提纯并重新聚合，从而制造出新的塑料，这是一种“闭环”回收形式。然而，传统的PET回收利用采用化学解聚方法，在此过程需要大量的碱和酸，且为能源密集型产业，因此在经济或环境方面不可行（图7）。此外，酶降解技术虽然是一个绿色解决方案，但长期以来缺乏具有工业规模塑料解聚活性的酶，因此阻碍了这种回收策略的发展。

图7 PET回收利用产业链（图源：英科再生招股说明书）

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校研究团队在Nature发表题为“Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization”的研究成果（图8）[3]。研究发现了一种工程变体PET降解酶：FAST-PETase，其具有工业规模降解活性，对晶态和非晶态PET均能高效降解，且能够降解各种PET原材料，并合成食品级包装材料。

图8 研究成果（图源：Nature）

研究人员使用机器学习预测PET降解酶（PETases）的突变，以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，与野生型PETase相比，该酶包含五个突变，并且相对于野生型和工程化替代品具有更高的PET降解活性。通过对该酶在30- 50℃和一系列pH范围内的活性检测，对不同PET产品的降解能力评估以及降解后材料的品质进行检测，发现以下结果：

1. FAST-PETase对晶态和非晶态PET均能高效降解

非晶态PET可以直接解聚，晶体PET需要热预处理转变为非晶态。在室温下一周内或在50°C下一天内非晶态PET可以直接解聚，而晶体含量超过25%的PET需要经过热预处理才能使塑料转变为非晶态（图9）。