Menneskeheden har et presserende behov for at skabe en overgang fra en lineær til en cirkulær økonomi, når det gælder klodens ressourcer. Hvert år kommer 3 millioner tons plastikaffald ned i vores have fra floder - og bringer dyr, der indtager det, i fare. Enzymer er nøglen til at nedbryde og genbruge de syntetiske polymerer, men det er en udfordring at få dem til at passe til plastiks mange forskellige kemier og former. En kombination af nye måder at konstruere plastnedbrydende enzymer og forbehandle plastikken med mikrobølger kan give ny værdi til plastaffald og hjælpe med at forhindre skabelsen af de mange plastikrester.
Den samlede akkumulerede mængde affald på verdensplan, der skyldes menneskelig aktivitet, har nu overskredet biomassen af alt levende på Jorden. Dette affald omfatter indtil videre mere end 8 milliarder tons fast plastikaffald, og hvert år kommer omkring 3 millioner tons plastikaffald ind i vores have fra floder.
Til fremstilling af plast anvendes ca. 350 millioner tons råolie om året, og det resulterer i omkring 2 % af de samlede CO2-udledninger på 850 millioner tons CO2 udledt om året.
I øjeblikket er materialeproduktion altså ikke bæredygtig, og det har enorme konsekvenser for vores miljø og økosystemer. Når det efterlades i naturen, nedbrydes plastikaffaldet langsomt. Halveringstiden kan være århundreder, hvorfor den stigende dannelse af mikroskopiske og nanoskopiske partikler bringer stadig flere livsformer i fare - især i havene på tværs af planeten.
Mere end 3 milliarder tons ikke-genanvendeligt affald
Menneskeskabte materialer som plast har uundværlige funktioner i vores hverdag og er almindeligvis den mest miljøvenlige og hygiejniske mulighed, der sparer energi, muliggør konservering af mad og drikkevarer og spiller en uundværlig rolle i sundhedsvæsenet, grøn energiproduktion og teknik.
Der er derfor et presserende behov for at skabe en overgang fra en lineær til en cirkulær materialeøkonomi.
Komplekse plastblandinger og kompositter, der findes overalt i nutidens affaldsstrømme, er en af de afgørende forhindringer for genbrug. At sortere plastmaterialer efter type er en nærmest umulig opgave – både for almindelige mennesker og genbrugsvirksomheder, der forsøger sig med metoder som infrarød spektroskopi. Kemisk og mekanisk genanvendelse fungerer nemlig typisk kun godt for rene plastmaterialer.
Da der generelt mangler effektive metoder til mild kemisk genanvendelse af plast og kompositmaterialer, er det i dag kun 10 % af alle syntetiske polymerer, der kan genbruges med de aktuelt tilgængelige teknologier. For eksempel viste vi for nylig, hvordan blandede syntetiske plastfibre i kommunalt tekstilaffald vil bidrage til mere end 3 milliarder tons ikke-genanvendeligt affald i 2030.
Med vores projekt, EazyPlast, søger vi at bidrage til at nå dette mål ved at bruge innovative bioteknologier.
Virker kun til få polymertyper
Biokatalytisk omdannelse af plastaffald til forbindelser med skabelse af nyværdi er en særdeles lovende metode til at tackle plastikproblemet ved at bruge milde grønne kemier.
Specifikke enzymer, der drager fordel af høj specificitet, kan nedbryde – depolymerisere – specifikke polymertyper selektivt, selv fra de komplekse blandinger, der findes i plastaffaldsstrømme efter forbrug.
Dette letter i høj grad behandling under genanvendelsesprocessen.
Derudover sikrer de milde reaktionsforhold, som man bruger i forbindelse med biokatalyse, at intakte plastmonomerer kan genvindes og genbruges, i modsætning til eksempelvis termomekanisk genanvendelse, som er afhængig af en barsk behandling, der kan beskadige byggestenene og føre til uhhensigtsmæssige sidereaktioner og produkter.
Ikke desto mindre virker enzymatisk nedbrydning af plast typisk kun for nogle få polymertyper og med hastigheder, der normalt er uforenelige med industriel anvendelse.
Fremkalder et twist
Det spirende område med biokatalytisk plastgenanvendelse blev udløst af nøgleopdagelser af de såkaldte polyesterase-enzymer, som er i stand til at nedbryde den industrielt vigtige polyesterplasttype – PET – ved en hydrolyseproces, hvor resultatet er syre og alkohol.
Efterfølgende proteinteknologi har med succes skabt stabile polyesterase-enzymer, der forbliver aktive over længere tidsperioder og ved forhøjede temperaturer, hvilket gør, at man kan "depolymerisere" selv ofte komplicerede plaststrukturer.
Men enzymer, der kan tilpasse sig adskillige flere forskellige former for plastkonformationer, er fortsat en kæmpe udfordring.
I tilfældet PET kan den centrale byggesten ethylenglycol antage to forskellige konformationer: trans og gauche. Mens trans-konformationen resulterer i en mere lineær polymerkæde, inducerer gauche et twist til kæden, så det samme enzym ikke kan genkende det. Hvordan, et enzym skal være i stand til at genkende de meget forskellige konformationer, er stadig ikke løst – i hvert fald ikke før vores EazyPlast-projekt blev lanceret.
Vigtigheden af at akkumulere
Spørgsmålet, vi ønskede at besvare med EazyPlast, var: Er det muligt at ændre enzymet, så det kan tilpasse sig forskellige plastsubstrater på samme tid?
Vi viste for nylig, hvordan de originale plastnedbrydende PET-enzymer faktisk er ret fleksible. De kan tilpasse sig mange forskellige strukturer, hver dog med en forskellig succes – fordi affiniteten eller tilpasningen til bestemte plastsutrukturer netop varierer.
De fleste af disse strukturer viste sig at passe dårligere, fordi enzymernes vigtigste aminosyrer – de katalytiske – sad i et ugunstigt geometrisk arrangement. Så selvom der var fleksibilitet, var prisen lavere eller ingen aktivitet.
Hvad fortæller disse resultater os så om mulige evolutionære drivkræfter, der understøtter enzymatisk plastisk nedbrydningsaktivitet? Vores resultater understreger vigtigheden af over tid at akkumulere mutationer og ændringer i enzymernes iboende dynamiske stillads for at drive tilpasningen til de plastiske substratmaterialer.
På linje med den hypotese viste vi, hvordan selv ændringer i enkelte punkter på overfladen af enzymet er nok til markant at ændre enzymernes bevægelighed. Dette favoriserer visse proteinstrukturer frem for andre, hvilket resulterer i ændret specificitet for visse plastsubstrater. Disse små ændringer kan være nøglen til at tune enzymerne til andre plasttyper.
Interessant fandt i vores projekt en særlig variant der foretrak en struktur af PET-plast, der især forekommer i krystallinske dele af plastmaterialet.
Behov for forbehandling
En anden tilbageværende udfordring i biokatalytisk nedbrydning af plastik er at give enzymerne adgang til de spaltelige eller brudbare bindinger i plastmaterialet.
Betydningen af at forbehandle plast for at bryde stærke, såkaldt sekundære, interaktioner og åbne op for materialestrukturen er bredt anerkendt indenfor forskningsfeltet. De almindeligt anvendte metoder fokuserer for det meste på reduktion af størrelse ved slibning, amorfisering – hvor polymererne får en mere uordntet struktur – ved hjælp af ultrakoldt flydende nitrogen og hård kemisk forbehandling.
Vores resultater viser, hvordan mikrobølgebestråling kan transformere det forbrugte PET-plast opbygget af mangekædede molekyler med blandede strutkturer (en blanding af trans-konformation og gauche-konformation i amorfe områder og trans-konformation i krystallinske dele) til et mere ensartet materiale med mindre komplicerede molekylære strukturer, der næsten udelukkende har trans-konformationen – er mere klar til nedbrydning af enzymer.
Forbehandling kan derfor spille en meget vigtig rolle i at gøre plast mere nedbrydeligt.
Havet kan beskyttes mod plastik ved at give affald værdi
Ved at kombinere forbehandlingsmetode med et trans-selektivt enzym udviklet i vores projekt fik vi en markant højere biokatalytisk hastighed.
Derfor understreger vores arbejde endnu en gang vigtigheden af at matche enzym- og substratkonformationerne – og det er en særlig udfordring i plast. Både tilgængelighed og form skal tages i betragtning, når man udvikler enzymbaserede plastgenanvendelsesmetoder.
EazyPlast-projektet tager bare de første skridt til at skabe disse potentielle løsninger mod en fremtidig cirkulær materialeøkonomi baseret på enzymer. Det er opmuntrende at se, at selv små ændringer i enzymernes sekvens kan have så dramatiske konsekvenser for strukturen af de PET-nedbrydende enzymer og dermed deres både aktivitet og selektivitet.
Biokatalyse har stort potentiale til at løse plastikproblemet, og opdagelsen af enzymer, der er i stand til at angribe ellers ikke-brudbare bindinger i de udbredte men svært nedbrydelige polyolefin-plast, vil være til stor gavn. Forfinelse af enzymerne er imidlertid påkrævet for at skabe en mere effektiv proces, og vigtigheden af forbehandling bør altså også overvejes.
De nye resultater åbner også mulige veje for genanvendelse, hvor de plastiknedbrydende PET-nedbrydende enzymer f.eks. indsættes i cyanobakterier, der naturligt lever i havet, enten ved rekombinant teknologi eller gennem genoverførsel efterfulgt af naturlig evolution. Det vil kunne hjælpe med at fjerne plastik fra havet. Enzymteknologi er imidlertid påkrævet for at finde en mere effektiv proces, og det er nødvendigt at overveje vigtigheden af forbehandling.
