僅用48小時！改造酶完全降解農用地膜

農田里栽種著豐富的農作物，為人們提供賴以生存的糧食。然而，農用地膜的大量使用帶來了嚴重的白色污染。

PBAT是一種由己二酸、丁二醇和對苯二甲酸縮聚而成的新一代塑料。它有著和塑料PET類似的分子結構。因具有優良的延展性、熱穩定性和可塑性，它被廣泛應用于農業（農用地膜）、紡織業以及食品包裝等產業。然而隨著PBAT的廣泛應用，造成了PBAT廢塑料的大量積累，給環境帶來了很大壓力。

近日，湖北大學教授郭瑞庭團隊和武漢大學教授劉映樂，利用結構生物學和酶學技術，發現角質酶可以高效降解多聚物PBAT，同時闡明了相關催化機制。該研究近日發表于《自然-通訊》。

兩天快速降解PBAT塑料

論文通訊作者郭瑞庭告訴《中國科學報》，一直以來，生物酶法綠色降解塑料是塑料污染問題的最佳方案。然而，PBAT塑料具有規則的晶體狀分子結構，聚合物纖維排列非常緊密，尋找能夠“咀嚼”PBAT的降解酶非常困難。

為了解決上述難題，郭瑞庭團隊通過大規模篩選，終于發現一種用于降解PBAT地膜塑料的角質酶TfCut。這種酶可以在兩天內將PBAT地膜快速分解成大碎片、小顆粒，直至完全消失。

研究人員進一步對PBAT降解過程中間物進行分離和鑒定，他們主要發現了3種中間產物——BTa、ABTa和TaBTa（Ta=TPA），以及終產物TPA。觀察這4種中間產物的變化發現，ABTa和TaBTa會在8小時左右達到最高值，然后逐漸下降直至消失。48小時后，反應產物主要是TPA和BTa。

“PBAT降解產物有多種可能，但是角質酶TfCut降解PBAT過程中卻只出現了這4種產物且都是以TPA為末端，因此我們推測TfCut角質酶降解PBAT可能存在一種獨特機制。”論文通訊作者、湖北大學教授陳純琪說。

值得注意的是，TPA本身作為合成PBAT的原料之一，來自原油。受供需關系影響，近年原油價格持續走高，PBAT生產成本大幅上漲，產業鏈條下游波動較大，造成不確定性增加。

論文通訊作者劉映樂說，如果可以將PBAT降解產物歸攏到TPA上，重新回收并用于合成PBAT或其他多聚物，就可以實現PBAT循環利用，大大減少原油消耗，這具有良好的產業應用價值。

變產物為原料 減少原油消耗

郭瑞庭團隊前期研究發現，將角質酶TfCut的大二元體（H224-F228）改造成小二元體（S224-I228）后，降解PET塑料的活性明顯升高。

于是，他們將該策略應用到PBAT降解。結果發現，改造的TfCut小二元體突變（TfCut-DM）降解PBAT48小時后只剩下TPA。論文第一作者、湖北大學副教授楊鈺認為，該結果有利于實現多聚物PBAT降解后得到的TPA的循環利用。

此外，該研究發現，擁有小二元體的TfCut同樣可以高效降解被紫外線照射后已經發生交聯反應的更難于降解的PBAT。這一發現為角質酶降解PBAT的應用研究打下了堅實基礎。

論文第一作者、湖北大學副教授閔鑒介紹，通過比較降解過程中的復合體晶體結構，他們發現，野生型角質酶TfCut的活性區入口處較為突出，而改造后的角質酶TfCut-DM活性區入口處較為平坦，更有利于PBAT長鏈的結合。這從結構上解釋了TfCut-DM降解活力提高的原因。

郭瑞庭指出，野生型角質酶降解PBAT的終產物為BTa和TPA，而改造后的角質酶TfCut-DM活性更高，終產物為TPA，這更有利于實現PBAT酶水解后產物的回收循環利用。

該研究為實現生物法降解多聚物PBAT并循環利用終產物TPA奠定了基礎。（來源：環球聚氨酯網）