重点实验室首次发现能在温和条件下高效降解PBAT塑料的海洋微生物酶

近日，国际学术期刊Journal of Hazardous Materials刊发了中国科学院海洋研究所孙超岷团队最新研究成果,首次报道了从海洋真菌Alternaria alternata FB1中发现的两种聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）高效降解酶，为处理PBAT以及复...

　　

近日，国际学术期刊Journal of Hazardous Materials刊发了中国科学院海洋研究所实验海洋生物学重点实验室孙超岷团队最新研究成果,首次报道了从海洋真菌Alternaria alternata FB1中发现的两种聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）高效降解酶，为处理PBAT以及复杂塑料废物混合物提供了新的生物技术方案。

近年来，随着全球塑料污染问题日益严峻，开发有效的塑料降解技术成为学术界和工业界共同关注的焦点。PBAT作为一种生物可降解塑料，具有良好的机械性能和热稳定性，在包装材料和农用薄膜等领域被广泛应用。然而，PBAT含有较难降解的芳香族成分对苯二甲酸(是生产PET塑料的主要原料），使其自然降解效率较低，存在演变为微塑料的风险，进而影响各种生物的正常理化过程。尽管目前已有一些关于PBAT降解酶的研究，但均需在高温(如60-70度)条件下才能有效降解PBAT塑料，欲实现规模化处理需要额外提供大量热能，大大增加了企业的运行成本，不利于将来的工业化应用。因此，如何在较温和的条件下实现PBAT塑料的高效降解是亟待解决的科学和技术难题。

为解决这一挑战，孙超岷团队着眼于海洋微生物，自2016年开始即从青岛近海采集塑料垃圾，进行塑料降解菌的筛选工作。经过大量筛选，获得了一株海洋真菌Alternaria alternata FB1，该菌株不仅能降解传统聚烯烃塑料如聚乙烯（PE），还展现出高效降解PBAT塑料的潜力。在本研究中，研究人员进一步分离并表征了该菌株中两种具有PBAT降解能力的角质酶AaCut4和AaCut10，为开发工业应用的高效降解剂提供了新的可能。

该研究的亮点之一是AaCut10在温和反应温度下展现的优越性能：AaCut10能够在20-45°C下高效降解PBAT，其37°C下24小时PBAT解聚率达到82.14%，并在48小时内可实现PBAT的完全降解。在海水中，AaCut10保持了96%以上的催化活性，表明其具有良好的盐度和离子耐受性。相比之下，另一种已知最高效的PBAT水解酶TfCut-DM Q132Y的降解效率仅为AaCut10的44.8%（37°C下）和16.26%（23°C下），进一步证明了AaCut10在温和条件下的降解优势。此外，研究人员还通过定向突变和反应条件优化进一步提高了AaCut10的单体生成率，为未来的酶工程改造提供了新的思路，也为工业应用奠定了基础。除了PBAT，研究团队还对AaCut4和AaCut10的其他底物适应性进行了测试。结果表明，这两种酶不仅能够有效降解PBAT，还表现出对其他生物可降解塑料如聚（3-羟基丁酸）（PHB）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的良好降解能力。广泛的降解底物范围使其在处理复合塑料或混合塑料废物中展现出巨大潜力。

图1?海洋真菌FB1菌株及其所产角质酶AaCut4和AaCut10对不同塑料的降解

 

图2?AaCut4、AaCut10及TfCut对PBAT的降解速率差异

图3?定点突变提高AaCut10水解PBAT的对苯二甲酸单体产量

AaCut10作为一种海洋真菌源水解酶，展现了在工业化塑料废弃物处理中的巨大应用潜力。其在温和条件下高效降解PBAT的能力以及水解产物相对单一、未出现产物抑制效应以及耐盐等特质，尤其适用于复杂海洋和陆地环境中的塑料废物管理，为可降解塑料的回收和再利用提供了一条新途径。目前，这项研究成果已申请了国家发明专利。2023年，全国PBAT生产总量已达139万吨，PBAT正逐渐成为传统聚烯烃塑料的重要替代品。然而，市场规模扩大背景下的PBAT末端处置水平亟待提高。利用基于AaCut10的生物酶解技术，PBAT废弃物的回收能够与绝大多数现有的PBAT制造工艺无缝衔接，通过高效的无溶剂方法将PBAT废料再生为塑料制品，从而避免额外的成本支出及潜在的环境污染风险。未来，AaCut10一方面可用于生活中PBAT废弃物的集中处理；另一方面，在山东、新疆等PBAT农业地膜大规模使用的省份，可与当地聚酯生产企业建立PBAT回收和再生产的产业基地，逐步实现真正意义上的闭环，即塑料的“生产-消费-回收-再造”。

中国科学院海洋研究所实验海洋生物学重点实验室博士研究生费凡为第一作者，孙超岷研究员为通讯作者。研究得到了崂山实验室科技创新项目、国际科学组织联盟重点合作研究项目、山东省自然科学基金和泰山学者计划等项目联合资助。

相关论文：

Fan Fei, Zhenjie Su, Rui Liu, Rongrong Gao, Chaomin Sun*. Efficient biodegradation of poly(butylene adipate-co-terephthalate) in mild temperature by cutinases derived from a marine fungus. Journal of Hazardous Materials, 2024, 136008, DOI: 10.1016/j.jhazmat.2024.136008.

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389424025871