工程酶可分解污水和废水中的微塑料

全球已积累了超过 50 亿吨塑料垃圾，其中大部分是微塑料，可能危害人类健康并对农业生产力和粮食安全构成长期威胁。清理这些污染的艰巨任务可以借助一种微小的蛋白质：一种专门的酶，旨在将塑料分解成简单的成分，环境中的天然细菌可以将其用作食物来源。

食品科学教授 Julie Goddard 和她的研究团队正在设计一种独特的酶，以聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 为目标，PET 是一种常用于包装和纺织品的塑料。她的实验室已成功设计出一种新型酶，能够在污水污泥的复杂条件下分解塑料，她设想了一种系统，其中这些酶有朝一日可以帮助减少处理过的废水中的微塑料。微生物经常用于废水处理。Goddard 表示，这项工作的灵感来自前研究生 Hannah Zurier 博士，她现在是哥伦比亚大学的博士后研究科学家，博士候选人 Sonia Su 将继续进行这项工作。

污水处理厂是环境和农田微塑料污染的主要来源。为了避免过度使用淡水资源，并认识到全球水资源日益短缺，处理过的废水越来越多地用于农业灌溉。尽管公众对海洋微塑料污染的关注度高于土壤微塑料污染，但每年排入土壤的微塑料数量要多得多：是海洋微塑料污染的 4 至 23 倍。

戈达德说：“废水再利用是全球应对水资源短缺的重要战略，但它要求废水中不含微塑料等污染物。”

微塑料(定义为 5 毫米或更小的塑料颗粒)以多种方式危害农业。它们限制土壤微生物的运动和对养分的获取，从而破坏微生物在植物发育所必需的土壤养分循环中的关键作用。土壤中的微塑料被植物的种子、根和维管系统直接吸收，破坏它们吸收水分和养分的能力，并传递给食用它们的动物和人类。

Goddard 实验室正在研究的酶是在 Ideonella sakaiensis 细菌中进化而来的，这种细菌可以在自然界中分解 PET 塑料。该酶是由日本科学家团队在垃圾填埋场外发现的，并于 2016 年在《科学》杂志上发表。从那时起，科学家们一直在努力发现和设计类似的酶，以便在各种条件下更快地生物降解塑料。Goddard 的目标是设计出能够将微塑料分解成小产品的酶，这些小产品可以用作废水处理过程中细菌的能量来源。

戈达德说，这些酶就像是精确折叠的串珠项链;它们由氨基酸链组成，可以根据需要改变它们以不同的方式折叠。虽然比喻很简单，但科学却并不简单：要使这些酶适应污水污泥中的条件，需要对酶进行基因组测序，通过复杂的软件包运行这些序列以确定哪些氨基酸最能完成你希望它们执行的任务，设计大量可能有用的变体，然后在实验室中构建和测试这些变体。

此外，废水处理的条件与野生酶进化的条件非常不同，并且不同设施之间的差异很大，废水处理的温度和有机物含量更高，pH 值也不同。

戈达德的实验室还在研究一种可以附着在废水过滤器中常见的材料上的变体酶，这将使这些酶能够被回收和再利用。

自 2018 年开始研究这一主题以来，去除微塑料的需求只增不减。今年 1 月的一项开创性研究报告称，瓶装水中的微塑料含量是之前认为的 10 到 100 倍，联合国目前正在讨论一项限制塑料污染的国际条约。

“我们非常清楚，水是一种有限的商品，”戈达德说。“我们需要弄清楚如何从废水中去除微塑料，使其成为淡水使用的可行替代品。除了健康和环境问题外，这对于农业的长期经济可持续性也至关重要。”