近日,微生物改造技術(shù)全國重點實驗室祁慶生教授團隊在國際期刊Chemical Engineering Journal在線發(fā)表了題為“Improving the Substrate Binding Pocket Flexibility of Leaf-Branch Compost Cutinase for Efficient and Complete Degradation of Commercial PBAT Plastic”的研究成果,為PBAT塑料廢棄物的生物降解與回收提供了一種全新的高活性催化劑。本研究由山東大學(xué)微生物改造技術(shù)全國重點實驗室教授祁慶生、副研究員蘇田源共同指導(dǎo)完成。重點實驗室博士研究生韓遠飛為論文第一作者。山東大學(xué)為本研究的第一完成單位和通訊作者單位。

聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯(PBAT)作為一種生物可降解塑料,是傳統(tǒng)不可降解塑料的主流替代品,尤其是替代聚乙烯和聚氯乙烯農(nóng)用地膜。PBAT塑料具備優(yōu)良的延展性和熱穩(wěn)定性,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)農(nóng)用地膜,具備可生物降解的顯著優(yōu)勢,對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而,PBAT在自然環(huán)境中降解不完全易形成微塑料,同時其降解的中間產(chǎn)物對苯二甲酸(TPA)具有一定的生物毒性,在環(huán)境中積累將對生態(tài)系統(tǒng)帶來潛在威脅。更重要的是合成PBAT的原料主要來源于不可再生的石化資源,大量丟棄到環(huán)境中會嚴重加劇碳排放。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),國內(nèi)外學(xué)者開始積極研究設(shè)計高效的PBAT降解酶。

PBAT分子內(nèi)含有脂肪族和芳香族兩種不同的酯鍵結(jié)構(gòu),因此,開發(fā)一種能同時高效降解這兩種酯鍵結(jié)構(gòu)的塑料水解酶是高效回收PBAT塑料廢棄物的關(guān)鍵。此前,本團隊開發(fā)出一種降解PET塑料的高效降解酶LCC-A2(ACS Catalysis, 2024),能夠在3.3小時內(nèi)降解超過90%的消費后PET塑料廢棄物。在本研究中,通過增強LCC-A2底物結(jié)合口袋關(guān)鍵loop區(qū)的柔性,提高對于PBAT底物的適配性,獲得了突變體LCC-M1。該突變體對PBAT的兩種酯鍵均展現(xiàn)出卓越的降解能力,能夠在4 h內(nèi)徹底降解未經(jīng)任何預(yù)處理的商品化PBAT薄膜,在3 h內(nèi)完全降解商品化的PBAT/PLA共混塑料袋,且超過99%的降解產(chǎn)物為最終降解產(chǎn)物,LCC-M1是目前報道的最高效PBAT降解酶。本研究開發(fā)的塑料降解酶底物結(jié)合口袋改造策略與所獲得的PBAT降解酶突變體,對解決日益嚴重的塑料污染問題具有重要意義。

該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者青年專家項目、SKLMT前沿與挑戰(zhàn)項目、山東省自然科學(xué)基金等基金的資助。

(關(guān)鍵字：PBAT)