新研究在37℃下完全降解高浓度微塑料

北极星固废网讯:纸质吸管取代塑料吸管,环保餐具取代普通塑料餐具,可降解塑料袋取代一次性塑料袋……今年1月起,新版限塑令正式生效,许多一次性塑料制品的生产、销售和使用被按下了停止键。

新研究在37℃下完全降解高浓度微塑料

尽管我国对塑料制品的限制使用和回收再利用日益重视,但仍有大量塑料被直接释放到环境中。“这些暴露的塑料制品在物理作用、光降解等过程影响下形成微塑料,最终进入生态圈和食物链,给整个生态系统带来潜在影响。”中科院微生物研究所(以下简称微生物所)研究员吴边在接受《中国科学报》采访时说。

在此背景下,吴边团队与国内外合作者基于计算机蛋白质设计,实现了高浓度聚对苯二甲酸乙二酯(PET)微塑料在温和条件下的完全降解,为废水中微塑料的预处理提供新思路。相关成果近日以封面文章形式发表于《催化》。

从“白色污染”到“隐形杀手”

“由于其固有的硬度、强度、耐用性及稳定性需求,废弃塑料制品无法自动降解,对环境造成危害。”论文共同第一作者、微生物所助理研究员崔颖璐对《中国科学报》说。相比于能回收的塑料,肉眼看不见的微塑料威胁更为严重,情况更为紧迫。

2004年,英国普利茅斯大学的Rid C. Thompson等首次提出“微塑料”概念。10余年来,国内外大量研究先后发现,微塑料可被农作物,鱼类、蚯蚓、鸡、蜜蜂等海洋和陆地动物以及人类吸收,影响其生长、发育和繁殖能力。

在此背景下,2020年1月,我国发布的《关于进一步加强塑料污染治理的意见》提出,分2020年、2022年、2025年3个时间段,明确加强塑料污染治理分阶段的任务目标,同时对各类塑料制品制定了具体的禁止、限制生产或使用要求。

不过,公开数据显示,2019年,我国塑料制品累计产量8184万吨,塑料薄膜产量达1594.62万吨。相比之下,生物降解塑料消费量仅为52万吨。在限塑令逐步实施的过程中,发展绿色生物降解策略成为迫切需求。

打造“杀手”之“克星”

“是否无需经过回收处理即可就地降解微塑料?”长期从事人工设计酶蛋白的吴边希望能够通过人工智能(AI),提供“更绿色”的解决方案。

目前,温和条件下的微塑料原位降解研究是一个新兴领域。即利用原有或接种微生物降解或代谢微塑料,将其转化为无害的末端产品。在此过程中加入催化物可加强生物降解。“生物催化本身具有天然的绿色性,理想的生物酶可让微塑料降解事半功倍。”吴边说。

2016年,日本京都工艺纤维大学的Kohei Oda团队报道了首个可在30℃下有效降解低结晶度PET塑料(自然降解时间需要数百年)的IsPETase降解酶。然而,该酶稳定性极差,不能满足生物降解实际应用需求。

在此背景下,吴边团队与微生物所向华团队及天津工业生物技术研究所、中国科学技术大学、南京大学以及美国加州大学的研究者合作,探究是否可以通过原位处理,就地降解微塑料。他们提出了一种新型蛋白质稳定性计算设计策略(GRAPE),基于计算机蛋白质设计对IsPETase进行稳定性改造,获得了适应性显著增强的重设计酶(DuraPETase)。

因IsPETase在将PET转化为碳和能源方面的潜力,自2016年发现以来,全球有许多科研团队对其进行了改造。“据我所知,DuraPETase是迄今为止开发得最好的PETase突变体。”审稿人评论称。

新设计的酶蛋白“消化”塑料能力远超自然界中的物质。在温和条件下,DuraPETase对30%结晶度PET薄膜的降解效率相较于野生型提升了300倍。通过扫描电镜可观察到,经其处理后的PET薄膜内部结构发生了显著的腐蚀变化——实现了2克/升的高浓度微塑料在温和条件下的完全降解。

“温和条件是指工程微生物的最适温度37℃,在这个条件下,我们期望未来通过微生物技术降解微塑料,为废水中微塑料的预处理提供新思路。”吴边说。

AI加持 效率更高

酶蛋白可谓现代生物催化反应的“芯片”。若用理想的生物酶为“媒”,生物催化可事半功倍。DuraPETase生物酶的诞生是AI设计蛋白在实际应用中的又一次突破。

“目前,酶稳定性计算改造的主要瓶颈是无法解决有益突变的全局叠加问题。”吴边说。以往以蛋白质进化手段获取高性能酶是一个漫长的过程。新研究结合了蛋白质理性设计和AI算法,对计算获得的有益突变体进行系统聚类分析,再结合贪婪算法进行网络迭代叠加,大幅规避了负协同相互作用,在较短时间内最大限度地探索出叠加路径。

“这就好比在一个团队中,优秀人才各司其职,但我们并不确定哪些人在一起合作可以发挥最大效果。GRAPE策略就是来解决这个问题,它通过对人才归类,并迭代组成不同的小团体,快速找出最适合在一起合作的人。”崔颖璐解释说。

对此,审稿人认为,这在很大程度上提高了PET降解酶在高温条件下的稳定性和效率。研究进一步表明,这种酶在环境温度下也有显著改善的性能,并对PBT和PEN等其他聚酯塑料底物也有降解作用。


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