近日,微生物改造技術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。本研究由山東大學微生物改造技術全國重點實驗室教授祁慶生、副研究員蘇田源共同指導完成。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用地膜。PBAT塑料具備優良的延展性和熱穩定性,已經被廣泛應用于生產農用地膜,具備可生物降解的顯著優勢,對農業的可持續發展具有重要意義。然而,PBAT在自然環境中降解不完全易形成微塑料,同時其降解的中間產物對苯二甲酸(TPA)具有一定的生物毒性,在環境中積累將對生態系統帶來潛在威脅。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,大量丟棄到環境中會嚴重加劇碳排放。為了應對這些挑戰,國內外學者開始積極研究設計高效的PBAT降解酶。

PBAT分子內含有脂肪族和芳香族兩種不同的酯鍵結構,因此,開發一種能同時高效降解這兩種酯鍵結構的塑料水解酶是高效回收PBAT塑料廢棄物的關鍵。此前,本團隊開發出一種降解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底物結合口袋關鍵loop區的柔性,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的兩種酯鍵均展現出卓越的降解能力,能夠在4 h內徹底降解未經任何預處理的商品化PBAT薄膜,在3 h內完全降解商品化的PBAT/PLA共混塑料袋,且超過99%的降解產物為最終降解產物,LCC-M1是目前報道的最高效PBAT降解酶。本研究開發的塑料降解酶底物結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計劃、國家自然科學基金、山東省泰山學者青年專家項目、SKLMT前沿與挑戰項目、山東省自然科學基金等基金的資助。

(關鍵字：PBAT)