Nature：这个百年难题，被“它”用48小时完美解决

大数据文摘转载自学术头条

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，常用于制作饮料瓶、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。

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

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