農田提供給我們豐富的農作物，然而農用地膜的大量使用給土地帶來嚴重白色污染。近年來，人們對PBAT塑料和農用地膜危害的關注度明顯提高，科學家們也投入精力不斷研發塑料降解技術。

近日，湖北大學生命科學學院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室教授郭瑞庭團隊和武漢大學教授劉映樂在《自然—通訊》（Nature Communications）上發表最新研究論文。該研究利用結構生物學和酶學等技術，發現角質酶可以實現高效降解多聚物PBAT，同時闡明了相關的催化機制。楊鈺副教授、閔鑒副教授和碩士生薛婷為本文共同第一作者，郭瑞庭、湖北大學教授陳純琪及劉映樂為共同通訊作者。 

兩天快速降解PBAT塑料

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。因其具有優良的延展性、熱穩定性和可塑性等特性，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，也造成了PBAT廢塑料的大量積累，對環境造成了很大的壓力。

論文共同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，聚合物纖維排列得非常緊密，尋找能夠“咀嚼”PBAT的降解酶非常困難。

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地膜示意圖。受訪者供圖

為了解決上述難題，郭瑞庭團隊通過大規模篩選、尋找合適的酶，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快速的將PBAT地膜分解成大碎片、小顆粒直至完全消失。 

四種產物可否變成單一產物？

進一步對PBAT降解過程中間物進行分離和鑒定，他們發現主要有三種中間產物，分別是BTa，ABTa和TaBTa（Ta=TPA），以及終產物TPA。觀察這四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后逐漸下降至消失。48小時后，反應產物主要是TPA和BTa。

“PBAT降解產物有許多種可能，但是角質酶TfCut降解PBAT過程中卻只出現了這四種產物。值得注意的是，這四種產物都是以TPA為末端，因此我們推測TfCut角質酶降解PBAT可能存在一種獨特的降解機制?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、湖北大學教授陳純琪說。

值得注意的是，PBAT原料之一TPA來自于原油。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。

論文共同通訊作者、武漢大學教授劉映樂說，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或者其他多聚物，就可以實現PBAT循環利用的目的，大大減少原油消耗，這將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的降解。結果發現，改造的TfCut小二元體突變（TfCut-DM）對PBAT降解48小時后只剩下TPA。論文共同第一作者、湖北大學副教授楊鈺認為，該結果將有利于實現將來多聚物PBAT的降解后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UV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的應用研究打下堅實的基礎。

論文共同第一作者、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，因此從結構上根本解釋了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酶活性更高，終產物為TPA，將更有利于實現PBAT酶水解后產物的回收循環利用。

該研究將為實現生物法降解多聚物PBAT并循環利用終產物TPA奠定基礎。上述研究得到了科技部國家重點研發計劃、湖北省洪山實驗室、國家自然科學基金、湖北省創新群體和湖北省杰出青年基金等項目的資助。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37374-3