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Nature:这个百年难题,被“它”用48小时完美解决

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
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