PET塑料(Polyethylene terephthalate),是一种食品包装常用塑料,全球五大塑料材料之一,每年用量超过5000万吨。我们常用的矿泉水瓶、塑料易拉罐等等,都是用PET塑料制成的。PET塑料在自然条件下几百年都难以降解,是“白色污染”的重要来源。现在全球每年消耗2.45亿吨塑料,其中四分之一用于包装。
然而,有三分之一的塑料包装完全没有被收集,而是在陆地和海洋上“大行其道”,给生态环境造成了严重污染。同时,塑料垃圾还会以微塑料、塑料碎片等形式不断累积,并正在逐渐通过食物链带到人类的餐桌。塑料垃圾正在严重威胁着海洋生态、陆地环境和人类健康,采取有效措施解决“白色污染”难题,已经刻不容缓。
目前对PET塑料废弃物的处理方法有填埋、焚烧以及回收利用。
填埋和焚烧虽然简单,但产生的废气废水会对环境造成二次污染。回收利用,是目前比较提倡的处理方式,但由于回收成本的经济性和回收塑料的性能问题,导致现阶段回收利用率较低。长久以来,科学界一直在寻找有效的PET降解和循环利用方法。利用生物法(如酶降解)处理PET废弃物是一个重要的研究方向。
通过生物法将PET降解成组成分子,然后再回收利用,不但能够解决PET废弃物的问题,并且能够回收PET合成所需的原料,可实现PET塑料的有效降解与循环利用。
中国科学院天津工业生物技术研究所从一种名为“Ideonella sakaiensis”的细菌分泌的PET水解酶出发,首次成功利用X光晶体学技术解析出这种新型PET水解酶的高分辨率晶体结构,同时首次获得了PET水解酶与底物PET类似物的复合体结构,揭示了该PET水解酶维持高活性降解效率的分子基础,并阐明了PET的生物降解过程。那么,这种新型的PET水解酶是怎样降解PET塑料的呢?
这要先从酶降解的原理说起。酶是一种具有催化功能的蛋白质,可以将一种物质(称作“底物”)转化成另一种物质(称作“产物”)。酶在催化反应中要形成一定的空间立体结构,这个结构需要正好与底物的结构相吻合,犹如一把钥匙配一把锁。当酶与底物结合后才可以工作,将底物转化成产物。
研究发现,从整体结构来看,这种新型的PET水解酶与其他酯酶的结构相似,但它具有一些独特的结构特征。
这些特征能使PET水解酶具有较大的底物结合通道,使较大的PET更容易结合到该酶的底物结合区,从而提高了该酶对PET的降解效率。这种独特的结构特征使PET水解酶具有更大的“捕食器官”,可以让该酶“吃”到更多的PET塑料。
有了这种独特结构的加持,在30℃条件下,PET水解酶42小时就可将PET塑料分解成小片段,再将分解后的产物运入体内进一步“消化”,最终转化为对苯二甲酸(TPA)和乙二醇(EG)这两种结构相对简单的PET组成分子,实现对PET塑料的完全降解。
中科院天津工业生物技术研究所研究人员表示,虽然这种新型PET水解酶具备一定活性,但其降解效率还是比较低,目前正在利用所获得的酶蛋白晶体结构信息,对PET水解酶进行理性设计和定向进化改造,进一步提高它的酶活性。
同时,还要根据应用环境、生产工艺等拓展这种水解酶的工业应用属性,让它变得更加“强大”,进而推进开发高效的PET生物降解体系,实现PET水解酶的工业化应用,为建立传统石化塑料的降解与循环利用模式、破解白色污染顽疾、推动经济与环境和谐发展做出贡献。随着科学家们的深入研究,也许在不久的将来,PET水解酶就能够在解决“白色污染”问题的舞台上大展身手,成为人类地球环保事业的杰出先锋。