“一箭雙雕”新技術，助力緩解白色污染

飲料瓶、廢舊滌綸、塑料袋、外賣盒……生活中的塑料垃圾隨處可見，其泛濫導致的白色污染是21世紀最嚴峻的環境挑戰之一，對生態環境和人體健康都會產生不利影響。

做酶制劑已有30多年的天津大學酶工程與技術課題組把目光聚焦到解決白色污染問題上，他們近幾年一直在開展塑料降解酶的相關研究。

近日，在課題組負責人、天津大學化工學院教授齊崴和團隊核心成員尤生萍副研究員的帶領下，通過降本增效，開發了一套“高效、節能、經濟、環保”的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）酶解回收新工藝，可顯著降低生產能耗和成本。相關研究成果發表在《生物資源技術》（Bioresource Technology）上。

亟需安全環保的降解方式

白色污染有多嚴重？聯合國公布的數據顯示，全球每年產生的塑料廢棄物超過2億噸，但只有一成被回收。而且，塑料垃圾正以極快的速度污染全球，就連最深的馬里亞納海溝和最高的珠穆朗瑪峰都不能幸免。

很多人認為塑料垃圾不會對自己產生影響，但2022年在《整體環境科學》上發表的一篇論文報道了首次在活人的肺部深處發現微塑料污染堆積，這些微塑料顆粒是用于塑料包裝和吸管的聚丙烯（PP），以及常用于制造瓶子的PET。

同年3月發表于《國際環境》的另一項研究證實，人體血液也已受到微塑料污染。研究人員首次在人體血液中檢測到微塑料顆粒，這些顆粒可能被血液輸送到全身。

解決白色污染問題已迫在眉睫。但傳統的解決辦法并不理想，比如填埋后難分解、易造成土地二次污染；而焚燒又會產生大量有毒有害氣體。采用化學試劑降解的同時可能又會引入新的污染物。

為了避免這些隱憂，在環境保護和生命健康領域做點貢獻，5年前，天津大學酶工程與技術課題組開始在生物酶制劑與塑料降解之間尋找一個契合點。

“我們的主攻目標是研發出降解這些白色污染物的生物催化劑，以及配套的低成本處理工藝，在降解塑料的同時，最大限度降低其他新生有害物的引入，這一點非常關鍵。”論文通訊作者齊崴在接受《中國科學報》采訪時表示。

既能廢棄物再利用，又能產生需要的酶

“很多生物反應體系都會有大量鹽類產生，我們也在思考能不能把這些鹽類副產物利用起來，把鹽分當做一種原料，特異性地制備出一些菌種‘為我所用’。”齊崴表示。

在開啟這項課題后，課題組陸續不斷有多位研究生開展從酶制劑研發到工藝優化，再到裝置化運行的鏈條性攻關。

“按照原設計方案把PET酶基因序列構建至底盤細胞，但我們發現做出來的重組菌并沒有表達出目的酶。這個過程我們嘗試了很多種方法，后來雖然有蛋白表達，但表達量很低，而且還會出現蛋白聚集的問題。”論文共同第一作者、天津大學副研究員尤生萍在接受《中國科學報》采訪時說。

經過長時間科研攻關，團隊終于構建出一株低成本高效表達PET酶的工程菌——嗜鹽需鈉弧菌，與大腸桿菌相比，其酶蛋白表達水平增加了87.3%。該嗜鹽菌可以在高鹽環境中快速繁殖生長，同時表達出理想的催化劑酶，然后就可以利用這個酶去降解塑料。

“這套反應體系中既可以用我們工藝里產生的鈉鹽作為原料，也可以直接用海水發酵制備，一定程度上解決了以往PET生物降解過程中水消耗量大的問題。”尤生萍說。

這種通用性的創新解決方案為相關生物催化工藝的開發提供了借鑒和啟發。

全新簡化工藝，成本降低47.9%

這項新技術著眼于從產業化的角度進行設計，將整個工藝的流程打通。

“我們在獲得實驗室數據的同時，也在天津大學濱海工業研究院生物制造領域的產業化中試基地進行工藝放大開發，這能讓企業對我們的技術更信任。”齊崴介紹，該中試基地由研發團隊所在課題組自建，配有多套噸級全自動發酵系統、中試反應釜和中試產品純化系統，為相關工藝和產品的開發提供了必要支撐。

課題組供圖

要實現技術的產業化應用，就必須考慮能耗和成本問題。

傳統發酵工藝需要滅菌過程，在121度、一個大氣壓的條件上做20分鐘的滅菌處理，這個過程能耗很大。

“由于我們獲得的這個嗜鹽菌是在高含量鈉鹽環境中快速生長，因此能夠同步抑制雜菌的繁殖，使開發的工藝省去了滅菌的過程，初步估計能耗可降低2.48倍。另外，根據實驗室階段的數據評估，由于副產物鹽分的高效利用，以及蛋白表達量的大幅提升，整個發酵產酶成本降低了47.9%。”尤生萍介紹。

“接下來，我們會繼續改造提升酶的性能，與企業合作完善全流程工藝，進一步放大生產，為更大規模的工業制備做好準備。”齊崴表示。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.129913

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