科技日?qǐng)?bào)記者?陳?曦

【資料圖】

農(nóng)田提供給我們豐富的農(nóng)作物，然而農(nóng)用地膜的大量使用卻給土地帶來(lái)嚴(yán)重的“白色污染”。近年來(lái)，人們對(duì)聚己二酸對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）塑料和農(nóng)用地膜危害的關(guān)注度明顯提高，科學(xué)家們也投入精力不斷研發(fā)塑料降解技術(shù)。

近日，湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、省部共建生物催化與酶工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和湖北洪山實(shí)驗(yàn)室郭瑞庭教授團(tuán)隊(duì)，通過(guò)研究利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)和酶學(xué)等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)角質(zhì)酶可以實(shí)現(xiàn)高效降解多聚物PBAT，同時(shí)闡明了相關(guān)的催化機(jī)制。相關(guān)研究論文日前發(fā)表在國(guó)際期刊《自然·通訊》上。

尋找能“咀嚼”PBAT的降解酶

據(jù)介紹，PBAT是一種由己二酸、丁二醇和對(duì)苯二甲酸縮聚而成的新一代塑料。它有著和塑料聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）類似的分子結(jié)構(gòu)。因其具有優(yōu)良的延展性、熱穩(wěn)定性和可塑性等特性，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)（農(nóng)用地膜）、紡織業(yè)以及食品包裝等領(lǐng)域。

然而隨著PBAT的廣泛應(yīng)用，PBAT廢塑料的大量積累也給環(huán)境造成了很大壓力。一直以來(lái)，生物酶法綠色降解塑料可能是解決塑料污染問(wèn)題的最佳方案之一。然而，PBAT具有規(guī)則的晶體狀的分子結(jié)構(gòu)，聚合物纖維排列得非常緊密，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(tuán)隊(duì)通過(guò)大規(guī)模篩選、尋找合適的酶，終于發(fā)現(xiàn)了一種可用于降解PBAT地膜的角質(zhì)酶TfCut。

“這種酶可以在兩天內(nèi)快速將PBAT地膜分解成大碎片、小顆粒直至完全消失?！闭撐墓餐谝蛔髡咧?、湖北大學(xué)副教授楊鈺介紹，他們發(fā)現(xiàn)其降解過(guò)程主要有BTa、ABTa和TaBTa（Ta=TPA）3種中間產(chǎn)物，以及終產(chǎn)物TPA產(chǎn)生。

研究團(tuán)隊(duì)觀察這4種產(chǎn)物的變化，發(fā)現(xiàn)ABTa和TaBTa會(huì)在8小時(shí)左右達(dá)到最高值后逐漸下降至消失。48小時(shí)后，反應(yīng)產(chǎn)物主要是TPA和BTa。PBAT降解產(chǎn)物有許多種可能，但是角質(zhì)酶TfCut降解PBAT的過(guò)程中卻只出現(xiàn)了這4種產(chǎn)物。

改造角質(zhì)酶還能減少原油消耗

郭瑞庭團(tuán)隊(duì)前期發(fā)現(xiàn)將角質(zhì)酶TfCut的大二元體（H224-F228）改造成小二元體（S224-I228）后，其降解PET塑料的活性明顯升高。于是他們將該策略應(yīng)用到PBAT的降解后發(fā)現(xiàn)，改造的角質(zhì)酶TfCut小二元體突變（簡(jiǎn)稱TfCut-DM）降解反應(yīng)48小時(shí)后只剩下TPA，該結(jié)果將有利于實(shí)現(xiàn)PBAT降解后TPA的循環(huán)利用。

郭瑞庭指出，TPA是制備PBAT的原料之一，來(lái)自于原油，受供需關(guān)系影響，近年原油價(jià)格持續(xù)走高，PBAT生產(chǎn)成本大幅上漲。

如果可以將PBAT降解產(chǎn)物TPA，重新回收用于合成PBAT或者其他多聚物，就可以實(shí)現(xiàn)PBAT循環(huán)利用并減少原油的消耗，這將具有良好的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

此外，農(nóng)用地膜在使用時(shí)都會(huì)受到太陽(yáng)照射，因此該團(tuán)隊(duì)用紫外線照射PBAT誘發(fā)交聯(lián)反應(yīng)后測(cè)試發(fā)現(xiàn)，野生型TfCut和TfCut-DM均可以高效地降解已經(jīng)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的PBAT。這一發(fā)現(xiàn)為角質(zhì)酶降解PBAT的應(yīng)用研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

郭瑞庭說(shuō)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，野生型TfCut活性區(qū)入口處較為突出。而TfCut-DM活性區(qū)入口處較為平坦，更有利于與PBAT長(zhǎng)鏈的結(jié)合，這從結(jié)構(gòu)上解釋了TfCut-DM降解活力提高的原因。

綜合上述結(jié)果，郭瑞庭團(tuán)隊(duì)繪制了角質(zhì)酶TfCut降解PBAT的示意圖：角質(zhì)酶TfCut首先由催化三聯(lián)體行使內(nèi)切水解酶功能，生成以TPA為末端的反應(yīng)中間產(chǎn)物。而改造后的TfCut-DM酶活更高，終產(chǎn)物為TPA，將更有利于實(shí)現(xiàn)PBAT酶水解后產(chǎn)物的回收循環(huán)利用。

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