農(nóng)田里栽種著豐富的農(nóng)作物，為人們提供賴以生存的糧食。然而，農(nóng)用地膜的大量使用帶來(lái)了嚴(yán)重的白色污染。
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PET類似的分子結(jié)構(gòu)。因具有優(yōu)良的延展性、熱穩(wěn)定性和可塑性，它被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)（農(nóng)用地膜）、紡織業(yè)以及食品包裝等產(chǎn)業(yè)。然而隨著PBAT的廣泛應(yīng)用，造成了PBAT廢塑料的大量積累，給環(huán)境帶來(lái)了很大壓力。
近日，湖北大學(xué)教授郭瑞庭團(tuán)隊(duì)和武漢大學(xué)教授劉映樂，利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)和酶學(xué)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)角質(zhì)酶可以高效降解多聚物PBAT，同時(shí)闡明了相關(guān)催化機(jī)制。該研究近日發(fā)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(guó)科學(xué)報(bào)》，一直以來(lái)，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(guī)則的晶體狀分子結(jié)構(gòu)，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(tuán)隊(duì)通過(guò)大規(guī)模篩選，終于發(fā)現(xiàn)一種用于降解PBAT地膜塑料的角質(zhì)酶TfCut。這種酶可以在兩天內(nèi)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(jìn)一步對(duì)PBAT降解過(guò)程中間物進(jìn)行分離和鑒定，他們主要發(fā)現(xiàn)了3種中間產(chǎn)物——BTa、ABTa和TaBTa（Ta=TPA），以及終產(chǎn)物TPA。觀察這4種中間產(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，然后逐漸下降直至消失。48小時(shí)后，反應(yīng)產(chǎn)物主要是TPA和BTa。
“PBAT降解產(chǎn)物有多種可能，但是角質(zhì)酶TfCut降解PBAT過(guò)程中卻只出現(xiàn)了這4種產(chǎn)物且都是以TPA為末端，因此我們推測(cè)TfCut角質(zhì)酶降解PBAT可能存在一種獨(dú)特機(jī)制。”論文通訊作者、湖北大學(xué)教授陳純琪說(shuō)。
值得注意的是，TPA本身作為合成PBAT的原料之一，來(lái)自原油。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，產(chǎn)業(yè)鏈條下游波動(dòng)較大，造成不確定性增加。
論文通訊作者劉映樂說(shuō)，如果可以將PBAT降解產(chǎn)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(shí)現(xiàn)PBAT循環(huán)利用，大大減少原油消耗，這具有良好的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
變產(chǎn)物為原料 減少原油消耗
郭瑞庭團(tuán)隊(duì)前期研究發(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，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降解。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改造的TfCut小二元體突變（TfCut-DM）降解PBAT48小時(shí)后只剩下TPA。論文第一作者、湖北大學(xué)副教授楊鈺認(rèn)為，該結(jié)果有利于實(shí)現(xiàn)多聚物PBAT降解后得到的TPA的循環(huán)利用。
此外，該研究發(fā)現(xiàn)，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(jīng)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的更難于降解的PBAT。這一發(fā)現(xiàn)為角質(zhì)酶降解PBAT的應(yīng)用研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
論文第一作者、湖北大學(xué)副教授閔鑒介紹，通過(guò)比較降解過(guò)程中的復(fù)合體晶體結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)，野生型角質(zhì)酶TfCut的活性區(qū)入口處較為突出，而改造后的角質(zhì)酶TfCut-DM活性區(qū)入口處較為平坦，更有利于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。
郭瑞庭指出，野生型角質(zhì)酶降解PBAT的終產(chǎn)物為BTa和TPA，而改造后的角質(zhì)酶TfCut-DM活性更高，終產(chǎn)物為TPA，這更有利于實(shí)現(xiàn)PBAT酶水解后產(chǎn)物的回收循環(huán)利用。
該研究為實(shí)現(xiàn)生物法降解多聚物PBAT并循環(huán)利用終產(chǎn)物TPA奠定了基礎(chǔ)。
