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塑料里的分子长链像一根葱，角质酶则像一把小铡刀，葱放进刀口，三下两下就切段切末。日前，湖北大学生命科学学院省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室和湖北洪山实验室郭瑞庭教授团队发布最新研究成果，他们发现一种称为“角质酶”的生物酶能高效降解农用地膜、超市购物袋、饭盒等PBAT塑料垃圾。 
48小时，PBAT完全降解。 “PBAT是一种由己二酸、丁二醇和对苯二甲酸缩聚而成的新一代塑料。这种塑料自然降解过程一般长达数月之久，而且光照反应还会生成有害物质，但通过角质酶来降解，只需要48小时，且不会生成任何新的物质。”5月26日，记者采访了该论文的共同第一作者、湖北大学杨钰副教授，他介绍说。 
将一块1厘米×1厘米的塑料地膜放入盛满角质酶液体的玻璃量杯中，4小时后，整块塑料膜就变成几份大碎片，边缘也参差不齐；12小时后，塑料膜如絮状，液体如蛋花汤；48小时，液体重新澄清，塑料膜完全不见。杨钰指着论文中塑料消失的演示图片表示，PBAT具有规则的晶体分子结构，链条很长，聚合物纤维排列非常紧密，是一块难啃的“骨头”，而角质酶两天就干了大自然半年的事儿，其高效就高效在切得准，“刀口”齐。 杨钰弯曲了一只手掌，折叠的形状像一把小铡刀，就是角质酶的模样。“PBAT分子链条嵌入刀口，咔嚓，长链条被切成碎片。”杨钰形容这个过程为“切葱”，角质酶很“聪明”，专挑分子链条里的苯环下刀，切下的碎片非常整齐，“可谓刀法精湛，每段都留下葱白。” 角质酶（TfCut）是大自然中广泛存在的一种水解酶，专门降解生物的角质蛋白。“比如西红柿的表面就有一层像蜡的角质，防止虫子的叮咬，而角质酶能消化这层角质。”杨钰说。此前已有团队研究发现角质酶能降解PET塑料，但不太清楚其中的机制。郭瑞庭教授团队的研究则将角质酶首次应用到了PBAT塑料上，并且成功解析了其是怎样工作的。“之前只知道刀子切葱，但怎么切、切成了什么都不太清楚，这次我们做了功能还原、机制溯源，历史搞清楚了，背景也弄明白了。” PBAT、PET是塑料的不同种类，简单说，矿泉水瓶一般用的是PET，超市里摸起来软软的、皮肤感的可降解塑料袋用的就是PBAT。目前，因其优良的延展性、热稳定性和可塑性，PBAT广泛应用于农业（农用地膜）、纺织业以及食品包装等领域，但其废弃物的大量积累也造成白色污染，给环境带来巨大压力。 生物酶法绿色降解塑料是塑料治污的最佳方案之一，郭瑞庭团队通过大规模筛选，终于锁定角质酶。野生角质酶活性区入口处较为突出，影响了塑料分子链条的嵌入，他们又利用结构生物学和酶学等技术给野生角质酶“揭盖”，将其改造成开放结构（TfCut-DM），入口处较为平坦，塑料分子链条嵌入就严丝合缝。 PBAT降解过程中，产成BTa、ABTa和TaBTa三种中间物，最终生成对苯二甲酸（TPA）。而提取自石油的对苯二甲酸正是制备PBAT塑料的重要原料，也就是说，角质酶降解PBAT，将产物变为原料，实现了对苯二甲酸的再利用。“角质酶将PBAT降解还原成TPA粉末，再拿去做塑料，是将塑料垃圾还原成塑料原料的循环过程，不会产生有害有毒物质，也没有生成新的东西，是一个纯粹的可持续循环利用的过程。如果仅靠自然降解，生成的单体会慢慢挥发到周围环境中去。对苯二甲酸释放到自然界里去，还是有毒性的。” 大自然中存在着数不尽的酶，虽然没有专门为降解塑料而生的酶，毕竟塑料的诞生也不过百年，但酶无穷变异的可能性，让它们其中一部分有了降解塑料的能力，杨钰憧憬说，如果设立一个酶降解工厂，将塑料垃圾集中降解，产生的物质再回收利用，那么它不仅是环保的降解工厂，还是垃圾处理厂、再生资源利用厂。 一种奇怪的蛋白质酶，只要碰到塑料，就被吸引过去，忍不住把塑料切吧切吧剁了，酶的内生动力正是大自然的奇妙之处。角质酶为人类解决塑料污染提供了一条行之有效的途径，而了解它为什么降解、如何降解，郭瑞庭教授团队花了五年以上的时间。“人类目前认识的酶，不过仅占世界上酶的很小一部分，大自然中还有各种各样的酶，我们既不认识它们，也不清楚它们的功能作用，这鼓励我们永不止歇地探索。”杨钰说。 |
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