邓依云

塑料的耐腐蚀性使它成为最难降解的垃圾之一。

公元2805年，由于无节制的消费，地球被难以处理的垃圾覆盖，几乎没有生命能够存活。为了净化地球，人类不得不集体迁移到外太空生活，留下机器人在地球上清理垃圾。几百年过去，垃圾堆积成了摩天大楼，只剩下一个机器人仍在运行。

这是皮克斯经典动画电影《机器人总动员》中的场景，尽管故事背景纯属虚构，却也揭示了人类需要面对的一个现实问题—垃圾处理。根据世界银行的统计数据，如今，全球每年要产生约20亿吨的城市垃圾，其中，最令人头疼的就是塑料。

由于易加工、重量轻、化学性能稳定等特点，塑料被广泛应用于食品饮料包装、建筑材料、汽车配件、家电等各个方面，给人们的生活带来了极大的便利。1950年，全球一年能够生产200万吨塑料，到了半个多世纪后的2015年，这个数字翻了近200倍，达到3.81亿吨。

然而，塑料的耐腐蚀性也使它成为最难降解的垃圾之一，如果让它自然降解，需要大约400年的时间。据统计，截至2021年，全球共有约83亿吨塑料，其中有63亿吨最终未被回收利用，成为垃圾。而这些未被回收的塑料垃圾将进入土壤、海洋等环境中，给生态造成长期和广泛的影响。

数十年来，研究者们一直在探索处理塑料垃圾的各种创新方法。其中，生物降解作为一种环境友好的处理方法，受到研究者的普通关注。今年4月，来自德克萨斯大学奥斯汀分校Alper实验室的研究团队在科学期刊《自然》杂志上发表了一项新的研究成果，他们利用人工智能技术中重要的机器学习方法改造了一种酶，可以在几天内将PET塑料制品完全降解。

PET即聚对苯二甲酸乙二酯（Polyethylene Terephthalate），在国际通用资源回收编码中的代码为1号。PET是日常生活中较为常见的一种塑料，2020年，欧洲对PET塑料的需求量在所有塑料中占了8.4%。由于质量轻、不透气、耐水、耐酸碱等特点，PET多被用于制作矿泉水瓶、饮料瓶等容器，成为替代玻璃的、更耐用的食品包装材料。

相比其他不可降解的塑料，PET较容易回收。据统计，美国的PET回收率为31%，欧洲则达到52%。不过，目前回收PET的方法多为物理和化学手段，即通过静电分离、悬液分离、增链改性、氯化改性等技术将PET分解，再重新制成新的PET瓶、聚酯纤维等。但这些方法会在不同程度上破坏PET的部分物理和化学性能，并且整个过程能耗高，又会排出大量的温室气体，对环境造成污染。

德克萨斯大学奥斯汀分校的最新研究选择的PET回收路径是酶降解。酶降解是生物降解的一种，酶通过活性位点与塑料结合，并在活性位点的催化作用下降解塑料，这一降解过程不会产生有害气体，是最有前景的、绿色环保的塑料处理方式。

自2005年首次被报道，目前研究者已发现近20种不同的天然PET水解酶，包括酯酶、脂肪酶和角质酶。然而，大多数PET水解酶在70摄氏度的高温和一定的酸碱度条件下才能表现出可观的水解活性，在常温和中性酸碱度条件下活性较差。2012年研究人员发现的叶枝堆肥角质酶（LCC），也只有在72摄氏度和pH值8.0的条件下，才能实现10小时内降解90%经过预先处理的PET塑料。

改善温度、酸碱度等反应条件或对PET塑料实行预处理，可以较容易地提升降解PET的效率，但从长远来看，自身具有高活性和高降解效率的PET水解酶有更高的利用价值。而这只有通过探索和发现新的水解酶，或对已知水解酶开展蛋白质工程改造来实现。

德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队采用机器学习的方法对已知的PET水解酶PETase做了改造。

PETase是目前发现的降解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厂发现了大阪堺菌，并从中提取出可降解PET的水解酶，称之为PETase。PETase可以在常温、中性酸碱度条件下降解PET，约6周内就能够将0.2毫米厚的低结晶度PET薄膜完全降解，其降解产物也不会对环境造成污染。

但是，PETase的活性并不稳定，即使在37摄氏度的条件下，24小时后，PETase的活性也会有所丧失。此外，PETase降解高结晶度PET仍需要较长的时间，耗时约为降解低结晶度PET的30倍。

为了进一步发挥PETase的特性并提升其降解效率，许多研究者尝试通过蛋白质工程改造和优化PETase，但结果并不尽如人意。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队认为，此前蛋白质工程的研究点过于聚焦，难以平衡考虑酶的稳定性与活性，因此，团队引入了机器学习系统MutCompute，该算法在经过对超过1.9万个的蛋白质结构的深度学习后，能够预测蛋白质中可被优化的突变位点。

“机器学习的方法可以用于包括水解酶在内的任何类型的蛋白质，我们最终采用这种方法确定了一组可以大大提高PETase的活性和反应温度范围的新的突变位点。”德克萨斯大学奥斯汀分校Alper实验室主要研究者、研究论文的作者Hal Alper向《第一财经》杂志介绍。

这组由算法预测的突变位点经过排列组合，共形成了27个有效的PETase变种，研究团队分析发现，其中23个变种的热稳定性都有所提升。接着，研究团队又在30至60摄氏度的温度范围内使用无定形PET薄膜对这些变种的PET水解活性评估，结果显示，所有变体的有效温度范围都有所扩展。

资料来源：德克萨斯大学奥斯汀分校

综合评估与平衡PETase各变种的热稳定性与水解活性后，研究团队最终确定了一种PET降解效率最优的改造水解酶，将其命名为FAST-PETase，意为功能性的（functional）、具有活性的（active）、稳定的（stable）、具有耐受性（tolerant）的PETase。与原始的野生型PETase相比，FAST-PETase共包含了5个突变，在30至50摄氏度和一定的酸碱度范围内显示出了优越的水解活性，远远超越了野生型PETase及其他经蛋白质工程改造的变种。

为了进一步检验FAST-PETase的降解效果，研究团队还收集了51种使用后的PET塑料制品样本，这些样本均来自于商店中常见的食品、饮料、药品、化妆品的包装等。研究团队在50摄氏度的条件下直接使用FAST-PETase对未经处理的样本降解，结果发现，尽管51种PET塑料样本的结晶度、分子量、厚度和含有的添加剂存在差异，所有样本均在一周内被彻底降解，最快的只需要24小时。

生物降解作为一种对环境友好的塑料垃圾处理方法，一直受到研究者的广泛关注。

如果以PET被解聚后产生单体的速度来测量，FAST-PETase的降解速率几乎是线性的。相比之下，在相同条件下，其他水解酶及其他PETase变种的水解活性要低得多。比如如果使用LCC降解，即使在72摄氏度的最佳反应温度条件下，其活性仍然仅是FAST-PETase在50摄氏度条件下的约1/5。

此外，研究团队还对更难降解的、高结晶度PET制成的矿泉水瓶开展了实验。尽管FAST-PETase降解未经处理的矿泉水瓶碎片时速率大幅下降，但是对矿泉水瓶做热预处理后，在50摄氏度的条件下，FAST-PETase也可以在不到两周的时间内将其完全降解。

“FAST-PETase能在更低的温度（50摄氏度为最适反应温度）和更温和的pH值下降解塑料，减少了能源的投入，并且提升了分解PET单体的效率，”而且在处理成分复杂的塑料垃圾时，混合物中的非PET成分的残留物也不会融化形成凝胶，从而更容易被过滤和进一步回收利用，降低回收成本。”Hal Alper说。

不过，降解PET塑料只是第一步，要真正实现绿色循环，更关键的是对降解后的PET实行回收再利用。“塑料处理的难点其实在于收集，如果费了九牛二虎之力把它收集起来，然后把它生物降解完了就不管了，还是没有必要的。”华东师范大学海洋塑料研究中心主任李道季对《第一财经》杂志说。

Alper的研究团队也给出了一种闭环回收PET的路径：用FAST-PETase对使用后的PET生物降解，生成完全降解的PET溶液后，采用化学手段将分解出的PET单体分离并回收，再重新合成新的PET。Hal Alper表示，当酶的生产成本足够低，理论上就可以实现工业化规模的应用，比如目前该团队就正在开发能够将PET降解产物转化为高附加值产品的工程菌株。

此外，研究团队还提出了用FAST-PETase修复环境的潜在用途。由于FAST-PETase的反应条件与细胞生长的条件及现实环境的条件一致，因此，可以将FAST-PETase释放到受污染的环境中，直接实现对环境的修复。“但这种方法需要其他微生物来帮助消耗PET降解后产生的单体，这将是我们未来的工作主题和研究方向。”Hal Alper 说。

目前，研究团队正在寻找合作伙伴，以协助实践并大规模推广FAST-PETase的技术。李道季认为，由于再生塑料的成本一般比原始塑料高，要想大规模推广塑料的降解和回收，不仅需要技术，还需要相关政策规定的支持或约束。欧盟就曾于2019年发布相关文件，要求从2025年起，PET饮料瓶中需要含有至少25%的再生塑料;从2030年起，所有的塑料饮料瓶都要含有至少30%的再生塑料。

建立绿色、可持续的塑料循环体系是各国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个漫长的过程。至少，借助机器学习等新技术，科学家已经把降解塑料的时间从几百年缩减到了几天甚至一天。在通向绿色未来的路上，人类已经跨越了一大步。