Niemieccy naukowcy odkryli wysoce wydajny enzym, który rozkłada Poli(tereftalan etylenu) (PET) w rekordowo krótkim czasie. Enzym o nazwie PHL7, który badacze znaleźli na cmentarnym kompostowniku w Lipsku, może umożliwić recykling jednego z najczęściej używanych tworzyw sztucznych na świecie, znacznie szybciej niż dotychczas zakładano. Badacze przekonują, że otwiera to nowe możliwości recyklingu tworzyw sztucznych.
Plastikowe odpady stały się poważnym problemem. Miliardy ton niechcianych tworzyw sztucznych piętrzą się na wysypiskach. Ale oprócz wysypisk, są one również obecne we wszystkich morzach i oceanach i stały się jednym z głównych zanieczyszczeń. Zalegają w środowisku naturalnym praktycznie nie ulegając biodegradacji i mogą tak przetrwać setki lat. Co roku kilka milionów ton plastikowych odpadów trafia do rzek i wód przybrzeżnych, skąd są dalej roznoszone po całej planecie. Ruch fal oraz promieniowanie słoneczne sprawia, że plastikowe śmieci są stopniowo rozkładane na coraz mniejsze fragmenty, aż zrobią się z nich ledwo zauważalne drobinki, które określane są mianem mikroplastiku.
Dlatego naukowcy od lat szukają sposobu, by poradzić sobie z problemem zalegających w środowisku odpadów z tworzyw sztucznych. Szukają sposobu, by zmusić tworzywa sztuczne do szybszej degradacji. Badania prowadzone są w różnych kierunkach. Część uczonych skupia się na enzymach. W niedawnej publikacji, która ukazała się na łamach pisma „ChemSusChem” (DOI: 10.1002/cssc.202101062) badacze z Uniwersytetu w Lipsku opisali enzym PHL7, który rozkłada PET w rekordowym czasie.
Enzymy
Jednym ze sposobów, w jaki enzymy wykorzystywane są w przyrodzie, jest rozkład części roślin. Od pewnego czasu wiadomo, że niektóre enzymy mogą również rozkładać PET na ich podstawowe składniki. Rocznie produkuje się go około 70 milionów ton tego tworzywa, z czego ogromna większość trafia do środowiska naturalnego.
Badając różne enzymy naukowcy trafili na kilku kandydatów mogących pomóc w recyklingu tworzyw sztucznych. W ubiegłym roku w Austrii uczeni odkryli w układach trawiennych krów enzymy, które mogą rozkładać plastik, w tym PET (więcej na ten temat w tekście: Mikroby obecne w żołądkach krów mogą rozkładać plastik).
Jednak wśród enzymów mających zdolność radzenia sobie z plastikiem za najbardziej skuteczny uważany dotychczas był LCC. Naukowcy z Uniwersytetu w Osace znaleźli go w 2012 roku w kupce kompostu. Enzym ten, znany jako leaf-branch compost cutinase (kutynaza kompostowa z liści i gałęzi – LCC), ewoluował, by radzić sobie z woskową powłoką ochronną na liściach wielu roślin, ale radzi sobie także z PET. Jednak szybko rozpada się w temperaturze 65 stopni Celsjusza, temperaturze, w której PET zaczyna mięknąć, co pozwoliłoby enzymowi łatwiej i szybciej rozkładać plastik. By temu zaradzić, badacze wprowadzili do enzymu mutacje poprawiające jego zdolność do rozkładania plastiku PET oraz uodparniające go na wyższe temperatury (więcej na ten temat w tekście: Zmutowany enzym może znacznie poprawić recykling plastikowych butelek).
Odkrycie na cmentarzu
Teraz niemieccy naukowcy poinformowali o odkryciu jeszcze skuteczniejszego enzymu – PHL7, który rozkładał PET w laboratorium z rekordową prędkością. Zespół kierowany przez dr Christiana Sonnendeckera z Uniwersytetu w Lipsku znalazł enzym na cmentarzu Südfriedhof w Lipsku, w próbce pobranej ze sterty kompostu.
„Kompost roślinny jest siedliskiem mikroorganizmów termofilnych, które rozkładają polimery roślinne, a zatem może być również cennym źródłem enzymów rozkładających poliester” – wyjaśnił zespół w publikacji. W sumie naukowcy zidentyfikowali w cmentarnych próbkach siedem enzymów rozkładających polimery roślinne, z których PHL7 okazał się szczególnie obiecujący.
Nowy rekordzista
Uczeni badali różne enzymy, ale to PHL7 osiągnął w laboratorium najlepszy wynik, znacznie powyżej średniej. Naukowcy porównali go do wcześniej uznawanego za najskuteczniejszy, czyli do LCC. Jednak najpierw badacze wprowadzili gen PHL7 do kultur laboratoryjnych E. coli, dzięki czemu bakterie wytwarzają teraz enzym PHL7.
W eksperymentach dodawali płatki PET do pojemników z wodnym roztworem zawierającym PHL7 lub LCC. Następnie zmierzyli ilość plastiku, który uległ degradacji w określonym czasie i porównali ze sobą wartości.
Wynik? W ciągu 16 godzin PHL7 spowodował rozkład 90 proc. kawałków PET. W tym samym czasie LCC poradziło sobie z degradacją tylko 45 proc. plastiku. By lepiej pokazać, z czym mamy do czynienia, naukowcy posłużyli się przykładem plastikowego pojemnika, w którym sprzedawane są winogrona w supermarkecie. Taki pojemnik może zostać rozłożony za pomocą PHL7 w mniej niż 24 godziny.
Co ważne, PET jest rozkładany na kwas tereftalowy i glikol etylenowy, z których można następnie ponownie wyprodukować nowy PET.
Naukowcy odkryli, że za tę ponadprzeciętną aktywność odpowiada pojedynczy element budulcowy enzymu. Analizy wykazały, że enzym ma w kluczowych punktach swojej struktury białkowej aminokwas leucynę, podczas gdy w innych enzymach, które rozkładają poliestry znajduje się w tym miejscu fenyloalanina. Naukowcy twierdzą, że ta wymiana najwyraźniej ułatwia wiązanie enzymu z PET i może przynajmniej częściowo wyjaśniać wyższą wydajność degradacji.
Szansa na recykling z prawdziwego zdarzenia
Biologiczny recykling PET ma pewne zalety w porównaniu z konwencjonalnymi metodami recyklingu, które opierają się głównie na procesach termicznych, w których odpady z tworzyw sztucznych degradowane są w wysokich temperaturach. Procesy te są bardzo energochłonne, a jakość plastiku spada z każdym cyklem recyklingu.
Enzymy do swojej pracy wymagają jedynie środowiska wodnego i temperatury od 65 do 70 stopni Celsjusza. Kolejnym plusem jest fakt, że rozkładają one PET na jego składniki: kwas tereftalowy i glikol etylenowy, które następnie można ponownie wykorzystać do produkcji nowego PET, co skutkuje powstaniem cyklu umożliwiającego prawdziwą gospodarkę o obiegu zamkniętym. Jak przyznali autorzy badań, otrzymany w ten sposób nowy PET ma właściwości porównywalne z komercyjnie produkowanym PET. Jednak, jak przyznali uczeni, biologiczny recykling jest w powijakach i do tej pory był testowany tylko w pilotażowych zakładach.
– Enzym odkryty w Lipsku może wnieść istotny wkład w tworzenie alternatywnych, energooszczędnych procesów recyklingu tworzyw sztucznych – powiedział Wolfgang Zimmermann z Uniwersytetu w Lipsku. – Ze względu na ogromne problemy spowodowane globalnym obciążeniem środowiska odpadami z tworzyw sztucznych coraz ważniejsze staje się znalezienie przyjaznych dla środowiska metod ponownego wykorzystania plastiku w zrównoważonej gospodarce o obiegu zamkniętym. Biokatalizator opracowany w Lipsku okazał się bardzo skuteczny w szybkim rozkładzie zużytych opakowań PET i nadaje się do wykorzystania w przyjaznym dla środowiska procesie recyklingu, w którym z produktów rozkładu można wytworzyć nowy plastik – dodał.
Naukowcy z Lipska mają nadzieję, że nowo odkryty enzym może przyspieszyć przemiany w przetwarzaniu tworzyw sztucznych i poszukują w tym celu partnerów przemysłowych. Mają nadzieję, że PHL7 zostanie wykorzystany w praktyce. Są przekonani, że lepsza wydajność ich enzymu znacznie obniży koszty recyklingu.
Źródło: Leipzig University, fot. Leipzig University / Swen Reichhold. Na zdjęciu dr Christian Sonnendecker w trakcie badań