Nature:这个百年难题,被「它」用48小时完美解决
来源:学术头条
1907 年,比利时裔美国化学家利奥·贝克兰(Leo Baekeland)发明了一种廉价的、不易燃的通用塑料(即 Bakelite)。这一发明标志着现代塑料工业的开始,贝克兰也因此被后人誉为「塑料之父」。
但是,一度被称为 20 世纪最伟大发明之一的塑料,如今也被认为是最失败的发明之一,它无处不在,在给人类生活带来极大便利的同时,也严重污染了我们赖以生存的地球家园。
更可怕的是,这种坚固耐用的材料往往需要数百年才能降解。
问题来了,如果把几百年的降解时间缩短到几天,甚至几小时,就像这样:
那么,「白色污染」的问题是不是就可以迎刃而解了?
如今,来自德州大学奥斯汀分校(The University of Texas at Austin)、DEVCOM ARL-South 的研究团队,就为解决「白色污染」这一世界上最为紧迫的问题提供了一个新的思路。
研究团队借助人工智能技术发明了一种新型酶,这种酶有潜力促进 PET 塑料(塑料的一种,常用语制作饮料瓶、薄膜、包装等)的大规模回收利用,在分子水平上回收和再利用塑料,可以大大减少不必要的环境污染。
相关研究论文以「Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization」为题,于 4 月 28 日发表在权威科学期刊 Nature 上。
(来源:Nature)
由人工智能创造的生物酶
塑料,已经被用于我们日常生活的方方面面,是我们几乎无法离开的一种必需品。但管理不善的塑料废弃物,会污染陆地和海洋的生态环境。
理论上讲,这个问题可以通过塑料回收来避免,但很多塑料的回收并不是简单的机械回收,而是涉及到熔化和再加工,流程十分复杂,而且产生的新塑料的质量也不如原始塑料。
PET 塑料是日常生活中比较常见且安全的塑料,占全球塑料垃圾的 12%,多见于各种合成纤维生产、含食物的容器和热成型等应用。
PET 塑料可以通过被分解为分子级单体进行回收,但标准的化学解聚过程是能源密集型的,需要大量的碱和酸,因此在经济上或生态上都不可行。
另一个潜在的解决方案是使用酶,在过去的 15 年中,关于塑料回收酶的研究取得了诸多进展,但到目前为止,科学家们还没有找到在低温下高效工作的酶,无法用于大规模工业生产中,阻碍了这一回收策略的发展。
在此次工作中,研究人员利用机器学习模型,预测了新型酶中的哪些突变可以让废弃塑料在低温下快速分解,他们在 51 种塑料容器、5 种不同的聚酯纤维和织物,以及所有由 PET 塑料制成的水瓶上进行了测试,并证明了这种酶的有效性。
图|借助机器学习方法提高酶的性能(来源:该论文)
这种酶让 PET 塑料的闭环回收成为了可能,它可以在低于 50 摄氏度的环境下将塑料分解成更小的单体,然后用化学方法将其重新聚合。在某些情况下,PET 塑料可以在 24 小时内完全被分解掉。
研究团队表示,这种酶的潜在应用包括清理垃圾填埋场和进行环境补救等。他们计划在未来的工作中扩大这种酶的产量,以用于大规模工业生产中。
关于塑料,你知道多少?
塑料是指以高分子量的合成树脂/石油为主要组分,加入适当添加剂,如增塑剂、稳定剂、抗氧化剂、阻燃剂、润滑剂、着色剂等,经加工成型的塑性(柔韧性)材料,或固化交联形成的刚性材料。
塑料垃圾难以自然分解,如果流入海洋中,就会导致海洋生物误食、窒息、中毒等,影响海洋生态;焚化塑料垃圾也会造成空气污染,聚氯乙烯(PVC)和聚碳酸酯(Polycarbonates)等塑料,甚至在某些条件下会释出有害物质或内分泌干扰素,危害生物的生育机能。
那么,塑料都包括哪些类型?其用途分别是什么?学术君总结了一些常见塑料和特殊塑料,以供读者参考:
1.常见塑料类型及用途
聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,PET):饮料瓶、薄膜、包装。
聚丙烯(Polypropylene,PP):食品包装、家用电器、汽车配件(比如保险杆)。
聚苯乙烯(Polystyrene,PS):包装材料、食品包装、一次性杯子、盘子、餐具、CD 和 DVD 文件夹。
高冲击聚苯乙烯(High impact polystyrene,HIPS):包装材料、一次性杯子。
ABS 树脂/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile butadiene styrene,ABS):涵盖电子设备(比如显示器、打印机、键盘)。
聚酯(Polyester,PES):纤维、纺织品。
聚酰胺(Polyamides,PA):纤维生产、高尔夫球、钓鱼线、汽车涂料。
聚氯乙烯(Polyvinyl chloride,PVC):管件生产、浴帘、窗框和地板覆盖物。
聚氨酯(Polyurethanes,PU):泡沫保温、防火、灭火泡沫。
聚碳酸酯(Polycarbonate,PC):光盘、太阳镜、防护罩、安全眼镜、指示灯、镜片。
聚二氯乙烯(Polyvinylidene chloride,PVDC):包装(比如食品和药品)。
聚乙烯(Polyethylene,PE):薄膜、包装袋(一般常见塑料袋)、填装瓶(比如沐浴乳、清洁剂)、水管。
聚碳酸酯 / ABS树脂(Polycarbonate/Acrylonitrile Butadiene Styrene,PC/ABS):融合了 PC 和 ABS 塑料,更为坚固,用于汽车内装和外部配件、手机外壳。
2.其他类型塑料及用途
聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate,PMMA):隐形眼镜,玻璃(比如有机玻璃)。
聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE):耐热,低摩擦涂层:不沾涂层的不沾锅、水电工用的密封胶带、游乐场的滑水道等。
聚醚醚酮(Polyetheretherketone,PEEK):化学和耐热热塑性塑料,生物相容性高,使用医疗植入,航空航天制品。
聚醚亚酰胺(Polyetherimide,PEI):具有耐高温,化学性质稳定,不结晶聚合物。
酚醛树脂(Phenolics,PF):俗称电木,高模量,相对耐热,耐火和优良的聚合物。用于电气设备绝缘部件,纸层压制品,热绝缘泡沫材料。
尿素甲醛树脂(Urea-formaldehyde,UF):餐具、装饰品、电器零件、配电器具、电话筒、汽车零件、合板、接着剂、涂料、按钮、容器、麻将牌、时针盘、筷子、衣扣、瓶盖等。
三聚氰胺-甲醛树脂(Melamine formaldehyde,MF):玻璃、餐具、装饰品、电器配件及外壳、配电盘、机械零件、汽车零件、丽光板、涂料、接着剂、容器、纸、布的树脂加工。
聚乳酸(Polylactic acid,PLA):一个可由微生物分解,由玉米淀粉转化。目前市面上可看到的,如水选蛋的透明盒子。
尽管塑料已经成为人类生活不可或缺的必需品,但为了解决白色污染问题,保护人类赖以生存的陆地和海洋,人类不仅需要进一步强化环保意识,同时也需要借助科技的力量,更加绿色地处理塑料垃圾,以及创造更多的绿色的塑料替代品。
参考链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04599-z
https://www.nature.com/articles/d41586-022-01075-6
https://news.utexas.edu/2022/04/27/plastic-eating-enzyme-could-eliminate-billions-of-tons-of-landfill-waste/
https://en.wikipedia.org/wiki/Plastic
https://en.wikipedia.org/wiki/Plastic_pollution