近日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Journal of Hazardous Materials刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫超岷團(tuán)隊(duì)最新研究成果，首次報(bào)道了從海洋真菌Alternaria alternata FB1中發(fā)現(xiàn)的兩種聚己二酸/對(duì)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(lái)，隨著全球塑料污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，開(kāi)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(diǎn)。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(duì)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(xiǎn)，進(jìn)而影響各種生物的正常理化過(guò)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(shí)現(xiàn)規(guī)模化處理需要額外提供大量熱能，大大增加了企業(yè)的運(yùn)行成本，不利于將來(lái)的工業(yè)化應(yīng)用。因此，如何在較溫和的條件下實(shí)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(duì)著眼于海洋微生物，自2016年開(kāi)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(guò)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(kāi)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(diǎn)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(shí)PBAT解聚率達(dá)到82.14%，并在48小時(shí)內(nèi)可實(shí)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(shì)。此外，研究人員還通過(guò)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(lái)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(duì)還對(duì)AaCut4和AaCut10的其他底物適應(yīng)性進(jìn)行了測(cè)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(duì)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。
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(duì)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(xiàng)研究成果已申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。2023年，全國(guó)PBAT生產(chǎn)總量已達(dá)139萬(wàn)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(chǎng)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(wú)縫銜接，通過(guò)高效的無(wú)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(xiǎn)。未來(lái)，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(shí)現(xiàn)真正意義上的閉環(huán)，即塑料的“生產(chǎn)-消費(fèi)-回收-再造”。
中國(guó)科學(xué)院海洋研究所實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生費(fèi)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(shí)驗(yàn)室科技創(chuàng)新項(xiàng)目、國(guó)際科學(xué)組織聯(lián)盟重點(diǎn)合作研究項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金和泰山學(xué)者計(jì)劃等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
