世界不思議

科學實驗意外合成一種生物酶,卻成了塑料瓶的“超級剋星”

自塑料發明以來,人類已經產生了83億噸塑料,其中有63億噸變成了塑料垃圾。塑料汙染是最緊迫的環境問題之一。最新報告預測,到2040年,每年進入海洋的塑料量將接近三倍,達到2900萬噸,相當於地球海岸線每米50公斤。如果沒有更好的回收基礎設施和技術,繼續按照目前的生產速度發展下去,到2050年,將有120億噸塑料被扔進垃圾填埋場和自然界。

近日英國科學家在研究2016年發現的某種PET塑料(聚對苯二甲酸乙二酯)降解酶的過程中,無意間改變了該酶的結構,導致其降解PET的能力有效提高(速度是之前用於分解塑料的酶的6倍)。於是科學家基於這種酶改造出了一種能“吃”塑料的物質。這項技術將有助塑料的回收和再利用,幫助解決全球目前面臨的塑料汙染問題。

酶是什麼?有什麼用?酶是活細胞製造的某些特殊蛋白質(極少數是RNA),它們參與生物體中的一系列生化反應,通過複雜而精妙的機制調控反應進行的速率、方向以及程度。人們很好地利用了酶的這些性質:用它製作洗滌劑清潔汙漬和處理原油汙染,製備生物質燃料,甚至是用來殺菌消毒。

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為什麼塑料要用生物降解?降解,顧名思義,就是降低結合力後分解。官方說法是:讓有機化合物分子中的碳原子被分離出來,從而使分子量降低。塑料如果放著不動是會自然降解的,但塑料是經過高溫高壓催化劑等條件下聚合形成的高分子量聚合物,這種條件下的產物通常具有常溫物理穩定性,所以自然降解塑料的速率是很低的。當然你也可以利用澱粉、纖維素等可被微生物降解的高聚物製成的塑料,開始你想想這些原材料都是吃進肚子能被消化的物質,穩定性能是比不上普通的塑料的,抗摔比不上PC,耐熱比不上PA,防腐比不上PE,而且最主要的問題是:成本太高。那只剩一條路了,酶。活性高的物質可以作為催化物,破壞有機物的內部穩定產生化學反應,這滿足了降解的條件。原材料多取自細菌,易獲得。

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“塑料剋星”們早在2018年日本科學家就發現了這種細菌,因此它得名“大阪堺菌”。通過對它的研究,科學家發現了名為“PETase”的酶有降解塑料的作用,這次的“塑料剋星”也是基於這種酶升級而來:研究人員利用同步輻射光源產生的強力X射線對這種酶的試樣進行照射,通過X射線與樣品的相互作用分析該酶的空間結構,被改變結構後這種酶的活性被極大地提高,於是研究人員將它與它的夥伴酶–MHETase 結合起來,進一步提高了其速度降解效率。

至於PRT塑料,這是目前較為常用塑料(用於塑料瓶)中的一種。PET需要數百年的時間才能在環境中降解,而在此之前的塑料分解酶作用下也需要數月的時間,而PETase可以在幾天內將其分解為基礎的分子。缺點就是酶的專一性,這種酶只能分解這種塑料。至於其他塑料,這就需要特定的酶來處理了。而如果遇到不可生物降解的塑料,就算是酶也束手無策。

當然我們對那些“難伺候”的塑料也是有辦法的,比如微小的蠟蟲,它可以刺破塑料,甚至可以刺破聚乙烯,聚乙烯就是一種常見且不可生物降解的塑料,該塑料目前大量堆積在垃圾填埋場和海洋。還有黃粉蟲,它是粉蟲甲蟲的幼蟲階段,由於腸道中存在細菌,大約3,000至4,000條粉蟲可以在大約一週的時間內分解一隻聚苯乙烯泡沫塑料咖啡杯。

這次的PET降解酶的發現給科學家們開闢了一個全新的研究方向:細菌對環境的適應能力是非常驚人的,我們可以通過改變細菌的生存環境來得到更多“能吃塑料”的酶。英國科學家們的這次升級就是一次全新的嘗試,希望生物降解技術能夠飛速發展,讓海龜飛鳥們不再因誤食塑料而痛苦地死去。

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