全球塑料生产从20世纪50年代开始，迄今估计已达到83亿吨[R. Geyer et al.]。然而，只有一小部分塑料被回收利用，大部分塑料最终由填埋场深埋或被丢弃在自然环境中。合成塑料虽然经久耐用，但它不易被生物降解。废弃塑料制品在自然界中积累，对生态环境和人类的健康产生了极大的威胁。

荷兰阿姆斯特丹自由大学领衔的研究团队在 Environment International 期刊发表了题为：Discovery and quantification of plastic particle pollution in human blood 的研究论文。该研究首次在人类血液中发现了微塑料，这进一步引发了微塑料对人体健康长期影响的担忧。

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一种热塑性聚合物，由酯连接单体对苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG）组成。根据其加工工艺，PET可分为非晶态或半晶态。PET广泛用于食品包装行业和纺织纤维的制造。不同类型塑料的混合物很难通过传统的回收方法进行回收，酶水解是废弃塑料回收的一种重要且可持续的策略。

然而，迄今为止报道的所有聚酯水解酶的水解活性似乎仅限于PET的无定形部分。因此，无法实现结晶度较高的PET的直接酶水解。所以，寻找可以高效降解无定形PET薄膜和废弃PET热成型包装材料的酶显得格外重要。

德国莱比锡大学的科学家们发现了一种高效的酶，可以在极短的时间内降解PET。这种酶被称之为PHL7，是从植物堆肥中分离出来的。研究人员将其性能与先前报道的聚酯水解酶LCC进行了比较，证明它可使塑料分解的时间比以往快得多。该研究论文题为“Low Carbon Footprint Recycling of Post-Consumer PET Plastic with a Metagenomic Polyester Hydrolase”，已发表在《化学与可持续性、能源与材料》上。

研究人员从堆肥宏基因组中分离得到了PHL7，它可以完全水解无定形PET膜，生成对苯二甲酸。垂直扫描干涉测量显示PET薄膜的降解率为6.8μm/h。结构分析表明210位的亮氨酸对于PHL7极高的PET水解活性非常重要。

PET的有效酶水解需要大约70℃的反应温度，此时塑料在其玻璃化转变温度下变得更加粘稠，由于其流动性增加，使酶能够更好地接近聚合物链。从酶解产物中回收的对苯二甲酸。可以用于合成纯PET，这一循环证明了聚酯水解酶在可持续PET回收过程中可以作为优良的催化剂。

图注：生物催化在低碳足迹塑料回收过程中展现出潜力。在70℃的水环境中，PHL7可以将PET快速降解。

植物堆肥是参与植物聚合物（如角质）降解的嗜热微生物栖息地，是聚酯水解酶的宝贵来源。通过使用宏基因组方法，我们可以从实验室条件下无法培养的微生物中获取相关酶。在该研究中，研究人员将扩增子直接克隆到大肠杆菌表达系统中，并在含有三丁酸甘油酯作为底物的琼脂平板上进行筛选，以便检测酯水解酶活性。我们可以从下图的系统发育树中看出不同酶的相似性，通过筛选，PHL3和PHL7这两种酶显示出较高的PET水解活性。

图注：PHL酶的特性：（A）放线杆菌PHL和其他已确认或推测的聚酯水解酶的系统发育树；（B）与TfCut2相比，不同温度下与5种酶（PHL1、PHL2、PHL4、PHL5、PHL6）反应时间24小时后测定的无定形PET薄膜的重量损失；（C、D）非晶态PET薄膜的重量损失。

研究人员将PET添加到装有PHL7或LCC的水溶液的容器中，然后测量在给定时间内降解的塑料量，并将这些值相互比较。研究结果表明，在16小时内，PHL7使PET分解了90%；而LCC的降解幅度仅为45%。因此，PHL7的活性是聚酯裂解水解酶中金标准的2倍。研究人员解释，这是因为PHL7带有亮氨酸。

为了确定哪些氨基酸残基有助于PHL7的PET结合亲和力和降解效率，研究人员用MHET、TPA和1,2-乙烯单对苯二甲酸酯单（2-羟乙基对苯二甲酸酯）（EMT）与LCC进行了分子对接实验。结果表明，每个残基对结合亲和力的能量贡献与活性位点残基对PET水解的催化贡献非常一致。

通过分子对接手段，研究人员发现PHL7中的F63残基嵌合聚酯水解酶亚基I的芳香锚（aromatic clamp），其结合能几乎是LCC中同等残基Y95的两倍，这进一步解释了PHL7分解塑料的效率优于LCC的原因。另外，实验结果还表明，苯丙氨酸/亮氨酸取代可能是导致PHL7中每个残基结合能贡献变化的原因。

另外，研究人员通过纳米差示扫描荧光法对PHL7的热稳定性进行分析，发现其温度熔点（Tm）为79.1°C，略高于PET有效酶水解所需的反应温度70℃。通过垂直扫描干涉仪（VSI），研究人员对暴露在PHL7和LCC中不同时间后的G-PET薄膜进行分析（如下图），结果表明，暴露反应过程中薄膜表面形成凹坑，且凹坑直径并不断扩大增加，于是G-PET薄膜出现了不规则的降解。

图注：暴露于PHL7和LCC的G-PET薄膜的表面形貌。遮挡（左侧）和未遮挡（右侧）的暴露于LCC1（图A）和PHL7（图B）的表面。暴露1小时（C、D）和16小时（E，F）后的薄膜表面细节。

综上所述，退化引物法（degenerate primer method）可用于从植物堆肥中分离新的宏基因组聚酯水解酶。其中一种酶PHL7能高效水解完整的无定形PET膜，优于先前报道的聚酯水解酶。并且研究人员使用垂直扫描干涉法详细地监测到了PET膜表面逐渐降解的过程。

PHL7可用于在水反应系统中快速地完全降解废弃热成型PET。对于PET薄膜，则可以直接降解，无需耗能的研磨、熔融和挤压步骤。而且，可使用从酶法PET水解过程中回收的TPA合成性能与石化产品商业样品相当的纯PET。

参考来源：

1. Geyer, Roland, Jenna R. Jambeck, and Kara Lavender Law. "Production, use, and fate of all plastics ever made." Science advances 3.7 (2017): e1700782.

2. Sonnendecker, Christian, et al. "Low Carbon Footprint Recycling of Post‐Consumer PET Plastic with a Metagenomic Polyester Hydrolase." ChemSusChem (2021).

撰文 | 拉缇莎

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