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近日，國際學術期刊Journal of Hazardous Materials刊發(fā)了中國科學院海洋研究所實驗海洋生物學重點實驗室孫超岷團隊最新研究成果，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以及復雜塑料廢物混合物提供了新的生物技術方案。
近年來，隨著全球塑料污染問題日益嚴峻，開發(fā)有效的塑料降解技術成為學術界和工業(yè)界共同關注的焦點。PBAT作為一種生物可降解塑料，具有良好的機械性能和熱穩(wěn)定性，在包裝材料和農(nóng)用薄膜等領域被廣泛應用。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險，進而影響各種生物的正常理化過程。盡管目前已有一些關于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)模化處理需要額外提供大量熱能，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和技術難題。
為解決這一挑戰(zhàn)，孫超岷團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條件優(yōu)化進一步提高了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)應用奠定了基礎。除了PBAT，研究團隊還對AaCut4和AaCut10的其他底物適應性進行了測試。結果表明，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)物抑制效應以及耐鹽等特質(zhì)，尤其適用于復雜海洋和陸地環(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，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?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”。
中國科學院海洋研究所實驗海洋生物學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、國際科學組織聯(lián)盟重點合作研究項目、山東省自然科學基金和泰山學者計劃等項目聯(lián)合資助。
