Исследователи из Королевского колледжа Лондона и Университета Рутгерса в Нью-Джерси создали модифицированный фермент (белок, ускоряющий химические реакции), который разлагает полиэтилентерефталат (ПЭТ) в 10 раз быстрее, при этом его требуется в 10 раз меньше. Для этого им понадобилось лишь заменить жидкость, в которой работает фермент, и внести небольшие изменения в его структуру.
Как выяснила команда, новый подход помог ферменту разлагать трудно перерабатываемый пластик с постоянной скоростью как минимум семь дней, тогда как немодифицированный фермент в воде заметно терял активность уже после первых суток. Метод сработал и на хлопьях, нарезанных из использованной бутылки для напитков, причём пластик не нужно было предварительно нагревать или иным способом подготавливать, чтобы облегчить его разложение.
Результаты, опубликованные в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering, могут помочь проложить путь к более эффективным и экономичным способам переработки пластика. Благодаря тому, что ферменты дольше сохраняют активность, их потребуется меньше, а извлечение и повторное использование жидкости поможет производителям сократить затраты на материалы.
Кроме того, исследователям удалось получить в виде чистого порошка одно из основных химических звеньев ПЭТ. Потенциально его можно использовать для производства нового пластика, сокращая потребность в первичном сырье, получаемом из ископаемого топлива.
Ограничения традиционной переработки ПЭТ
ПЭТ — один из самых широко используемых в мире пластиков. Он встречается в бутылках для напитков, пищевой упаковке, одежде и множестве других повседневных изделий. Значительную часть отходов ПЭТ перерабатывают, переплавляя и придавая им новую форму. Однако многократная обработка может ухудшить качество пластика, и не весь выброшенный пластик можно переработать таким способом.
Одна из альтернатив — разложить пластик на исходные химические звенья, из которых затем можно снова изготовить пластик. В этом процессе помогают ферменты: они действуют как крошечные биологические инструменты, разрывающие химические связи, которые удерживают пластик вместе. Но многим ферментам трудно быстро разлагать ПЭТ, и по ходу процесса они могут перестать работать.
Как сохранить активность ферментов дольше
Исследователи использовали природный фермент кутиназу, способный разлагать ПЭТ. Они химически изменили поверхность фермента, чтобы защитить его от нагрева и химических условий, возникающих при разложении пластика, и он дольше оставался активным. Затем фермент объединили со специально подобранной жидкостью — так называемой ионной жидкостью. Она помогает ослабить плотную упаковку структуры ПЭТ, делая химические связи внутри пластика более доступными для фермента. Кроме того, она позволяет проводить реакцию при высоких температурах, когда ПЭТ легче поддаётся разложению.
В экспериментах с порошком ПЭТ модифицированный фермент продолжал разлагать пластик с постоянной скоростью в течение семи дней, а не терял значительную часть активности после первых суток. Для сравнения: немодифицированный фермент в воде заметно терял активность после первых суток — его активность сохранялась около 36 часов, после чего снижалась.
В этих лабораторных тестах модифицированный фермент в ионной жидкости разрывал химические связи в пластике в 9,2 раза быстрее. Кроме того, система с модифицированным ферментом провела примерно в 9,5 раза больше химических реакций за время экспериментов.
Ионную жидкость удалось извлечь для почти непрерывного повторного использования. В лабораторном эксперименте команда вернула 97,1% жидкости. Исследователи также смогли выделить терефталевую кислоту — одно из основных химических звеньев ПЭТ — в виде чистого порошка. Однако после процесса извлечения фермент перестал эффективно работать. Исследователи стремятся улучшить извлечение фермента, чтобы можно было повторно использовать и жидкость, и фермент, сократив потребность в новых материалах.
Более совершенные ферменты пока не испытаны
Исследователи не проверяли этот подход на некоторых наиболее совершенных ферментах, разлагающих пластик, которые специально созданы методами инженерии для расщепления ПЭТ. Предыдущие исследования показали, что такие ферменты способны за примерно два дня в значительной степени разложить некоторые формы ПЭТ. Вместо этого исследователи взяли фермент кутиназу как пробный пример, чтобы выяснить, можно ли за счёт изменения химических свойств фермента и окружающей его жидкости улучшить его работу в больших масштабах, используя в целом меньше ферментов.
По оценке исследователей, применение их подхода к более совершенным ферментам могло бы сократить время, необходимое для почти полного разложения ПЭТ, примерно с двух суток до пяти часов и значительно уменьшить количество воды, расходуемой в процессе. Эта оценка основана на результатах предыдущих исследований с такими ферментами, а не на экспериментах, проведённых в данной работе.
Чтобы подготовить процесс к промышленному применению, нужны дальнейшие исследования — в частности, чтобы улучшить извлечение фермента и оценить энергозатраты, а также экологическую и экономическую эффективность процесса в целом.
Доктор Алекс Броган, автор, ответственный за переписку, и старший преподаватель химии в Королевском колледже Лондона, сказал: «Исследования в моей лаборатории направлены на поиск новых решений, которые помогут нам уйти от экономики, основанной на нефти, к циркулярной биоэкономике. Поэтому ферментативная переработка пластика очень важна для достижения этих целей, и в этой работе мы сделали важный шаг к экологичному возвращению исходных звеньев этого важного и широко используемого пластика. Мы надеемся, что в будущем подход будет применяться к самым разным ферментам и пластикам».