海洋所首次發(fā)現(xiàn)能在溫和條件下高效降解PBAT塑料的海洋微生物酶
近日,國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Hazardous Materials刊發(fā)了中國科學(xué)院海洋研究所孫超岷團(tuán)隊最新研究成果,首次報道了從海洋真菌Alternaria alternata FB1中發(fā)現(xiàn)的兩種聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)高效降解酶,為處理PBAT以及復(fù)雜塑料廢物混合物提供了新的生物技術(shù)方案。
近年來,隨著全球塑料污染問題日益嚴(yán)峻,開發(fā)有效的塑料降解技術(shù)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的焦點。PBAT作為一種生物可降解塑料,具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性,在包裝材料和農(nóng)用薄膜等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。然而,PBAT含有較難降解的芳香族成分對苯二甲酸(是生產(chǎn)PET塑料的主要原料),使其自然降解效率較低,存在演變?yōu)槲⑺芰系娘L(fēng)險,進(jìn)而影響各種生物的正常理化過程。盡管目前已有一些關(guān)于PBAT降解酶的研究,但均需在高溫(如60-70度)條件下才能有效降解PBAT塑料,欲實現(xiàn)規(guī)?;幚硇枰~外提供大量熱能,大大增加了企業(yè)的運行成本,不利于將來的工業(yè)化應(yīng)用。因此,如何在較溫和的條件下實現(xiàn)PBAT塑料的高效降解是亟待解決的科學(xué)和技術(shù)難題。
為解決這一挑戰(zhàn),孫超岷團(tuán)隊著眼于海洋微生物,自2016年開始即從青島近海采集塑料垃圾,進(jìn)行塑料降解菌的篩選工作。經(jīng)過大量篩選,獲得了一株海洋真菌Alternaria alternata FB1,該菌株不僅能降解傳統(tǒng)聚烯烴塑料如聚乙烯(PE),還展現(xiàn)出高效降解PBAT塑料的潛力。在本研究中,研究人員進(jìn)一步分離并表征了該菌株中兩種具有PBAT降解能力的角質(zhì)酶AaCut4和AaCut10,為開發(fā)工業(yè)應(yīng)用的高效降解劑提供了新的可能。
該研究的亮點之一是AaCut10在溫和反應(yīng)溫度下展現(xiàn)的優(yōu)越性能:AaCut10能夠在20-45°C下高效降解PBAT,其37°C下24小時PBAT解聚率達(dá)到82.14%,并在48小時內(nèi)可實現(xiàn)PBAT的完全降解。在海水中,AaCut10保持了96%以上的催化活性,表明其具有良好的鹽度和離子耐受性。相比之下,另一種已知最高效的PBAT水解酶TfCut-DM Q132Y的降解效率僅為AaCut10的44.8%(37°C下)和16.26%(23°C下),進(jìn)一步證明了AaCut10在溫和條件下的降解優(yōu)勢。此外,研究人員還通過定向突變和反應(yīng)條件優(yōu)化進(jìn)一步提高了AaCut10的單體生成率,為未來的酶工程改造提供了新的思路,也為工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。除了PBAT,研究團(tuán)隊還對AaCut4和AaCut10的其他底物適應(yīng)性進(jìn)行了測試。結(jié)果表明,這兩種酶不僅能夠有效降解PBAT,還表現(xiàn)出對其他生物可降解塑料如聚(3-羥基丁酸)(PHB)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的良好降解能力。廣泛的降解底物范圍使其在處理復(fù)合塑料或混合塑料廢物中展現(xiàn)出巨大潛力。

圖1?海洋真菌FB1菌株及其所產(chǎn)角質(zhì)酶AaCut4和AaCut10對不同塑料的降解

圖2?AaCut4、AaCut10及TfCut對PBAT的降解速率差異

圖3?定點突變提高AaCut10水解PBAT的對苯二甲酸單體產(chǎn)量
AaCut10作為一種海洋真菌源水解酶,展現(xiàn)了在工業(yè)化塑料廢棄物處理中的巨大應(yīng)用潛力。其在溫和條件下高效降解PBAT的能力以及水解產(chǎn)物相對單一、未出現(xiàn)產(chǎn)物抑制效應(yīng)以及耐鹽等特質(zhì),尤其適用于復(fù)雜海洋和陸地環(huán)境中的塑料廢物管理,為可降解塑料的回收和再利用提供了一條新途徑。目前,這項研究成果已申請了國家發(fā)明專利。2023年,全國PBAT生產(chǎn)總量已達(dá)139萬噸,PBAT正逐漸成為傳統(tǒng)聚烯烴塑料的重要替代品。然而,市場規(guī)模擴(kuò)大背景下的PBAT末端處置水平亟待提高。利用基于AaCut10的生物酶解技術(shù),PBAT廢棄物的回收能夠與絕大多數(shù)現(xiàn)有的PBAT制造工藝無縫銜接,通過高效的無溶劑方法將PBAT廢料再生為塑料制品,從而避免額外的成本支出及潛在的環(huán)境污染風(fēng)險。未來,AaCut10一方面可用于生活中PBAT廢棄物的集中處理;另一方面,在山東、新疆等PBAT農(nóng)業(yè)地膜大規(guī)模使用的省份,可與當(dāng)?shù)鼐埘ドa(chǎn)企業(yè)建立PBAT回收和再生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)基地,逐步實現(xiàn)真正意義上的閉環(huán),即塑料的“生產(chǎn)-消費-回收-再造”。
中國科學(xué)院實驗海洋生物學(xué)重點實驗室博士研究生費凡為第一作者,孫超岷研究員為通訊作者。研究得到了嶗山實驗室科技創(chuàng)新項目、國際科學(xué)組織聯(lián)盟重點合作研究項目、山東省自然科學(xué)基金和泰山學(xué)者計劃等項目聯(lián)合資助。
相關(guān)論文:
Fan Fei, Zhenjie Su, Rui Liu, Rongrong Gao, Chaomin Sun*. Efficient biodegradation of poly(butylene adipate-co-terephthalate) in mild temperature by cutinases derived from a marine fungus. Journal of Hazardous Materials, 2024, 136008, DOI: 10.1016/j.jhazmat.2024.136008.
論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389424025871
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