鄧依云

塑料的耐腐蝕性使它成為最難降解的垃圾之一。

公元2805年，由于無(wú)節(jié)制的消費(fèi)，地球被難以處理的垃圾覆蓋，幾乎沒(méi)有生命能夠存活。為了凈化地球，人類不得不集體遷移到外太空生活，留下機(jī)器人在地球上清理垃圾。幾百年過(guò)去，垃圾堆積成了摩天大樓，只剩下一個(gè)機(jī)器人仍在運(yùn)行。

這是皮克斯經(jīng)典動(dòng)畫電影《機(jī)器人總動(dòng)員》中的場(chǎng)景，盡管故事背景純屬虛構(gòu)，卻也揭示了人類需要面對(duì)的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題—垃圾處理。根據(jù)世界銀行的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如今，全球每年要產(chǎn)生約20億噸的城市垃圾，其中，最令人頭疼的就是塑料。

由于易加工、重量輕、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，塑料被廣泛應(yīng)用于食品飲料包裝、建筑材料、汽車配件、家電等各個(gè)方面，給人們的生活帶來(lái)了極大的便利。1950年，全球一年能夠生產(chǎn)200萬(wàn)噸塑料，到了半個(gè)多世紀(jì)后的2015年，這個(gè)數(shù)字翻了近200倍，達(dá)到3.81億噸。

然而，塑料的耐腐蝕性也使它成為最難降解的垃圾之一，如果讓它自然降解，需要大約400年的時(shí)間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年，全球共有約83億噸塑料，其中有63億噸最終未被回收利用，成為垃圾。而這些未被回收的塑料垃圾將進(jìn)入土壤、海洋等環(huán)境中，給生態(tài)造成長(zhǎng)期和廣泛的影響。

數(shù)十年來(lái)，研究者們一直在探索處理塑料垃圾的各種創(chuàng)新方法。其中，生物降解作為一種環(huán)境友好的處理方法，受到研究者的普通關(guān)注。今年4月，來(lái)自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Alper實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)在科學(xué)期刊《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)新的研究成果，他們利用人工智能技術(shù)中重要的機(jī)器學(xué)習(xí)方法改造了一種酶，可以在幾天內(nèi)將PET塑料制品完全降解。

PET即聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（Polyethylene Terephthalate），在國(guó)際通用資源回收編碼中的代碼為1號(hào)。PET是日常生活中較為常見的一種塑料，2020年，歐洲對(duì)PET塑料的需求量在所有塑料中占了8.4%。由于質(zhì)量輕、不透氣、耐水、耐酸堿等特點(diǎn)，PET多被用于制作礦泉水瓶、飲料瓶等容器，成為替代玻璃的、更耐用的食品包裝材料。

相比其他不可降解的塑料，PET較容易回收。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)的PET回收率為31%，歐洲則達(dá)到52%。不過(guò)，目前回收PET的方法多為物理和化學(xué)手段，即通過(guò)靜電分離、懸液分離、增鏈改性、氯化改性等技術(shù)將PET分解，再重新制成新的PET瓶、聚酯纖維等。但這些方法會(huì)在不同程度上破壞PET的部分物理和化學(xué)性能，并且整個(gè)過(guò)程能耗高，又會(huì)排出大量的溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成污染。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的最新研究選擇的PET回收路徑是酶降解。酶降解是生物降解的一種，酶通過(guò)活性位點(diǎn)與塑料結(jié)合，并在活性位點(diǎn)的催化作用下降解塑料，這一降解過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，是最有前景的、綠色環(huán)保的塑料處理方式。

自2005年首次被報(bào)道，目前研究者已發(fā)現(xiàn)近20種不同的天然PET水解酶，包括酯酶、脂肪酶和角質(zhì)酶。然而，大多數(shù)PET水解酶在70攝氏度的高溫和一定的酸堿度條件下才能表現(xiàn)出可觀的水解活性，在常溫和中性酸堿度條件下活性較差。2012年研究人員發(fā)現(xiàn)的葉枝堆肥角質(zhì)酶（LCC），也只有在72攝氏度和pH值8.0的條件下，才能實(shí)現(xiàn)10小時(shí)內(nèi)降解90%經(jīng)過(guò)預(yù)先處理的PET塑料。

改善溫度、酸堿度等反應(yīng)條件或?qū)ET塑料實(shí)行預(yù)處理，可以較容易地提升降解PET的效率，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，自身具有高活性和高降解效率的PET水解酶有更高的利用價(jià)值。而這只有通過(guò)探索和發(fā)現(xiàn)新的水解酶，或?qū)σ阎饷搁_展蛋白質(zhì)工程改造來(lái)實(shí)現(xiàn)。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究團(tuán)隊(duì)采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)已知的PET水解酶PETase做了改造。

PETase是目前發(fā)現(xiàn)的降解PET效率最高的天然水解酶。2016年，日本研究者Tanasupawat等人在日本堺市一家塑料瓶回收廠發(fā)現(xiàn)了大阪堺菌，并從中提取出可降解PET的水解酶，稱之為PETase。PETase可以在常溫、中性酸堿度條件下降解PET，約6周內(nèi)就能夠?qū)?.2毫米厚的低結(jié)晶度PET薄膜完全降解，其降解產(chǎn)物也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

但是，PETase的活性并不穩(wěn)定，即使在37攝氏度的條件下，24小時(shí)后，PETase的活性也會(huì)有所喪失。此外，PETase降解高結(jié)晶度PET仍需要較長(zhǎng)的時(shí)間，耗時(shí)約為降解低結(jié)晶度PET的30倍。

為了進(jìn)一步發(fā)揮PETase的特性并提升其降解效率，許多研究者嘗試通過(guò)蛋白質(zhì)工程改造和優(yōu)化PETase，但結(jié)果并不盡如人意。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，此前蛋白質(zhì)工程的研究點(diǎn)過(guò)于聚焦，難以平衡考慮酶的穩(wěn)定性與活性，因此，團(tuán)隊(duì)引入了機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)MutCompute，該算法在經(jīng)過(guò)對(duì)超過(guò)1.9萬(wàn)個(gè)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的深度學(xué)習(xí)后，能夠預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)中可被優(yōu)化的突變位點(diǎn)。

“機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可以用于包括水解酶在內(nèi)的任何類型的蛋白質(zhì)，我們最終采用這種方法確定了一組可以大大提高PETase的活性和反應(yīng)溫度范圍的新的突變位點(diǎn)?！钡驴怂_斯大學(xué)奧斯汀分校Alper實(shí)驗(yàn)室主要研究者、研究論文的作者Hal Alper向《第一財(cái)經(jīng)》雜志介紹。

這組由算法預(yù)測(cè)的突變位點(diǎn)經(jīng)過(guò)排列組合，共形成了27個(gè)有效的PETase變種，研究團(tuán)隊(duì)分析發(fā)現(xiàn)，其中23個(gè)變種的熱穩(wěn)定性都有所提升。接著，研究團(tuán)隊(duì)又在30至60攝氏度的溫度范圍內(nèi)使用無(wú)定形PET薄膜對(duì)這些變種的PET水解活性評(píng)估，結(jié)果顯示，所有變體的有效溫度范圍都有所擴(kuò)展。

資料來(lái)源：德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校

綜合評(píng)估與平衡PETase各變種的熱穩(wěn)定性與水解活性后，研究團(tuán)隊(duì)最終確定了一種PET降解效率最優(yōu)的改造水解酶，將其命名為FAST-PETase，意為功能性的（functional）、具有活性的（active）、穩(wěn)定的（stable）、具有耐受性（tolerant）的PETase。與原始的野生型PETase相比，F(xiàn)AST-PETase共包含了5個(gè)突變，在30至50攝氏度和一定的酸堿度范圍內(nèi)顯示出了優(yōu)越的水解活性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了野生型PETase及其他經(jīng)蛋白質(zhì)工程改造的變種。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)FAST-PETase的降解效果，研究團(tuán)隊(duì)還收集了51種使用后的PET塑料制品樣本，這些樣本均來(lái)自于商店中常見的食品、飲料、藥品、化妝品的包裝等。研究團(tuán)隊(duì)在50攝氏度的條件下直接使用FAST-PETase對(duì)未經(jīng)處理的樣本降解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管51種PET塑料樣本的結(jié)晶度、分子量、厚度和含有的添加劑存在差異，所有樣本均在一周內(nèi)被徹底降解，最快的只需要24小時(shí)。

生物降解作為一種對(duì)環(huán)境友好的塑料垃圾處理方法，一直受到研究者的廣泛關(guān)注。

如果以PET被解聚后產(chǎn)生單體的速度來(lái)測(cè)量，F(xiàn)AST-PETase的降解速率幾乎是線性的。相比之下，在相同條件下，其他水解酶及其他PETase變種的水解活性要低得多。比如如果使用LCC降解，即使在72攝氏度的最佳反應(yīng)溫度條件下，其活性仍然僅是FAST-PETase在50攝氏度條件下的約1/5。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)更難降解的、高結(jié)晶度PET制成的礦泉水瓶開展了實(shí)驗(yàn)。盡管FAST-PETase降解未經(jīng)處理的礦泉水瓶碎片時(shí)速率大幅下降，但是對(duì)礦泉水瓶做熱預(yù)處理后，在50攝氏度的條件下，F(xiàn)AST-PETase也可以在不到兩周的時(shí)間內(nèi)將其完全降解。

“FAST-PETase能在更低的溫度（50攝氏度為最適反應(yīng)溫度）和更溫和的pH值下降解塑料，減少了能源的投入，并且提升了分解PET單體的效率，”而且在處理成分復(fù)雜的塑料垃圾時(shí)，混合物中的非PET成分的殘留物也不會(huì)融化形成凝膠，從而更容易被過(guò)濾和進(jìn)一步回收利用，降低回收成本。”Hal Alper說(shuō)。

不過(guò)，降解PET塑料只是第一步，要真正實(shí)現(xiàn)綠色循環(huán)，更關(guān)鍵的是對(duì)降解后的PET實(shí)行回收再利用?！八芰咸幚淼碾y點(diǎn)其實(shí)在于收集，如果費(fèi)了九牛二虎之力把它收集起來(lái)，然后把它生物降解完了就不管了，還是沒(méi)有必要的?！比A東師范大學(xué)海洋塑料研究中心主任李道季對(duì)《第一財(cái)經(jīng)》雜志說(shuō)。

Alper的研究團(tuán)隊(duì)也給出了一種閉環(huán)回收PET的路徑：用FAST-PETase對(duì)使用后的PET生物降解，生成完全降解的PET溶液后，采用化學(xué)手段將分解出的PET單體分離并回收，再重新合成新的PET。Hal Alper表示，當(dāng)酶的生產(chǎn)成本足夠低，理論上就可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模的應(yīng)用，比如目前該團(tuán)隊(duì)就正在開發(fā)能夠?qū)ET降解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品的工程菌株。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還提出了用FAST-PETase修復(fù)環(huán)境的潛在用途。由于FAST-PETase的反應(yīng)條件與細(xì)胞生長(zhǎng)的條件及現(xiàn)實(shí)環(huán)境的條件一致，因此，可以將FAST-PETase釋放到受污染的環(huán)境中，直接實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的修復(fù)。“但這種方法需要其他微生物來(lái)幫助消耗PET降解后產(chǎn)生的單體，這將是我們未來(lái)的工作主題和研究方向。”Hal Alper 說(shuō)。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正在尋找合作伙伴，以協(xié)助實(shí)踐并大規(guī)模推廣FAST-PETase的技術(shù)。李道季認(rèn)為，由于再生塑料的成本一般比原始塑料高，要想大規(guī)模推廣塑料的降解和回收，不僅需要技術(shù)，還需要相關(guān)政策規(guī)定的支持或約束。歐盟就曾于2019年發(fā)布相關(guān)文件，要求從2025年起，PET飲料瓶中需要含有至少25%的再生塑料;從2030年起，所有的塑料飲料瓶都要含有至少30%的再生塑料。

建立綠色、可持續(xù)的塑料循環(huán)體系是各國(guó)政府和研究者都在努力的方向，但其中每一步的探索都是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。至少，借助機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)，科學(xué)家已經(jīng)把降解塑料的時(shí)間從幾百年縮減到了幾天甚至一天。在通向綠色未來(lái)的路上，人類已經(jīng)跨越了一大步。