祁庆生教授团队在PBAT塑料生物降解研究中取得新进展

近日，微生物改造技术全国重点实验室祁庆生教授团队在国际期刊Chemical Engineering Journal在线发表了题为“Improving the Substrate Binding Pocket Flexibility of Leaf-Branch Compost Cutinase for Efficient and Complete Degradation of Commercial PBAT Plastic”的研究成果，为PBAT塑料废弃物的生物降解与回收提供了一种全新的高活性催化剂。本研究由山东大学微生物改造技术全国重点实验室教授祁庆生、副研究员苏田源共同指导完成。重点实验室博士研究生韩远飞为论文第一作者。山东大学为本研究的第一完成单位和通讯作者单位。

聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）作为一种生物可降解塑料，是传统不可降解塑料的主流替代品，尤其是替代聚乙烯和聚氯乙烯农用地膜。PBAT塑料具备优良的延展性和热稳定性，已经被广泛应用于生产农用地膜，具备可生物降解的显著优势，对农业的可持续发展具有重要意义。然而，PBAT在自然环境中降解不完全易形成微塑料，同时其降解的中间产物对苯二甲酸（TPA）具有一定的生物毒性，在环境中积累将对生态系统带来潜在威胁。更重要的是合成PBAT的原料主要来源于不可再生的石化资源，大量丢弃到环境中会严重加剧碳排放。为了应对这些挑战，国内外学者开始积极研究设计高效的PBAT降解酶。

底物结合口袋工程提升塑料降解酶的PBAT降解活性

PBAT分子内含有脂肪族和芳香族两种不同的酯键结构，因此，开发一种能同时高效降解这两种酯键结构的塑料水解酶是高效回收PBAT塑料废弃物的关键。此前，本团队开发出一种降解PET塑料的高效降解酶LCC-A2（ACS Catalysis, 2024），能够在3.3小时内降解超过90%的消费后PET塑料废弃物。在本研究中，通过增强LCC-A2底物结合口袋关键loop区的柔性，提高对于PBAT底物的适配性，获得了突变体LCC-M1。该突变体对PBAT的两种酯键均展现出卓越的降解能力，能够在4h内彻底降解未经任何预处理的商品化PBAT薄膜，在3h内完全降解商品化的PBAT/PLA共混塑料袋，且超过99%的降解产物为最终降解产物，LCC-M1是目前报道的最高效PBAT降解酶。本研究开发的塑料降解酶底物结合口袋改造策略与所获得的PBAT降解酶突变体，对解决日益严重的塑料污染问题具有重要意义。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省泰山学者青年专家项目、SKLMT前沿与挑战项目、山东省自然科学基金等基金的资助。