全球塑料生產從20世紀50年代開始，迄今估計已達到83億噸[R. Geyer et al.]。然而，只有一小部分塑料被回收利用，大部分塑料最終由填埋場深埋或被丟棄在自然環境中。合成塑料雖然經久耐用，但它不易被生物降解。廢棄塑料製品在自然界中積累，對生態環境和人類的健康產生了極大的威脅。
荷蘭阿姆斯特丹自由大學領銜的研究團隊在 Environment International 期刊發表了題為：Discovery and quantification of plastic particle pollution in human blood 的研究論文。該研究首次在人類血液中發現了微塑料，這進一步引發了微塑料對人體健康長期影響的擔憂。
聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一種熱塑性聚合物，由酯連接單體對苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG）組成。根據其加工工藝，PET可分為非晶態或半晶態。PET廣泛用於食品包裝行業和紡織纖維的製造。不同類型塑料的混合物很難通過傳統的回收方法進行回收，酶水解是廢棄塑料回收的一種重要且可持續的策略。
然而，迄今為止報導的所有聚酯水解酶的水解活性似乎僅限於PET的無定形部分。因此，無法實現結晶度較高的PET的直接酶水解。所以，尋找可以高效降解無定形PET薄膜和廢棄PET熱成型包裝材料的酶顯得格外重要。
德國萊比錫大學的科學家們發現了一種高效的酶，可以在極短的時間內降解PET。這種酶被稱之為PHL7，是從植物堆肥中分離出來的。研究人員將其性能與先前報導的聚酯水解酶LCC進行了比較，證明它可使塑料分解的時間比以往快得多。該研究論文題為「Low Carbon Footprint Recycling of Post-Consumer PET Plastic with a Metagenomic Polyester Hydrolase」，已發表在《化學與可持續性、能源與材料》上。
研究人員從堆肥宏基因組中分離得到了PHL7，它可以完全水解無定形PET膜，生成對苯二甲酸。垂直掃描干涉測量顯示PET薄膜的降解率為6.8μm/h。結構分析表明210位的亮氨酸對於PHL7極高的PET水解活性非常重要。
PET的有效酶水解需要大約70℃的反應溫度，此時塑料在其玻璃化轉變溫度下變得更加粘稠，由於其流動性增加，使酶能夠更好地接近聚合物鏈。從酶解產物中回收的對苯二甲酸。可以用於合成純PET，這一循環證明了聚酯水解酶在可持續PET回收過程中可以作為優良的催化劑。
植物堆肥是參與植物聚合物（如角質）降解的嗜熱微生物棲息地，是聚酯水解酶的寶貴來源。通過使用宏基因組方法，我們可以從實驗室條件下無法培養的微生物中獲取相關酶。在該研究中，研究人員將擴增子直接克隆到大腸桿菌表達系統中，並在含有三丁酸甘油酯作為底物的瓊脂平板上進行篩選，以便檢測酯水解酶活性。我們可以從下圖的系統發育樹中看出不同酶的相似性，通過篩選，PHL3和PHL7這兩種酶顯示出較高的PET水解活性。
研究人員將PET添加到裝有PHL7或LCC的水溶液的容器中，然後測量在給定時間內降解的塑料量，並將這些值相互比較。研究結果表明，在16小時內，PHL7使PET分解了90%；而LCC的降解幅度僅為45%。因此，PHL7的活性是聚酯裂解水解酶中金標準的2倍。研究人員解釋，這是因為PHL7帶有亮氨酸。
為了確定哪些胺基酸殘基有助於PHL7的PET結合親和力和降解效率，研究人員用MHET、TPA和1,2-乙烯單對苯二甲酸酯單（2-羥乙基對苯二甲酸酯）（EMT）與LCC進行了分子對接實驗。結果表明，每個殘基對結合親和力的能量貢獻與活性位點殘基對PET水解的催化貢獻非常一致。
通過分子對接手段，研究人員發現PHL7中的F63殘基嵌合聚酯水解酶亞基I的芳香錨（aromatic clamp），其結合能幾乎是LCC中同等殘基Y95的兩倍，這進一步解釋了PHL7分解塑料的效率優於LCC的原因。另外，實驗結果還表明，苯丙氨酸/亮氨酸取代可能是導致PHL7中每個殘基結合能貢獻變化的原因。
另外，研究人員通過納米差示掃描螢光法對PHL7的熱穩定性進行分析，發現其溫度熔點（Tm）為79.1°C，略高於PET有效酶水解所需的反應溫度70℃。通過垂直掃描干涉儀（VSI），研究人員對暴露在PHL7和LCC中不同時間後的G-PET薄膜進行分析（如下圖），結果表明，暴露反應過程中薄膜表面形成凹坑，且凹坑直徑並不斷擴大增加，於是G-PET薄膜出現了不規則的降解。
綜上所述，退化引物法（degenerate primer method）可用於從植物堆肥中分離新的宏基因組聚酯水解酶。其中一種酶PHL7能高效水解完整的無定形PET膜，優於先前報導的聚酯水解酶。並且研究人員使用垂直掃描干涉法詳細地監測到了PET膜表面逐漸降解的過程。
PHL7可用於在水反應系統中快速地完全降解廢棄熱成型PET。對於PET薄膜，則可以直接降解，無需耗能的研磨、熔融和擠壓步驟。而且，可使用從酶法PET水解過程中回收的TPA合成性能與石化產品商業樣品相當的純PET。
參考來源：
1. Geyer, Roland, Jenna R. Jambeck, and Kara Lavender Law. "Production, use, and fate of all plastics ever made." Science advances 3.7 (2017): e1700782.
2. Sonnendecker, Christian, et al. "Low Carbon Footprint Recycling of Post‐Consumer PET Plastic with a Metagenomic Polyester Hydrolase." ChemSusChem (2021).