塑料是人類偉大的發(fā)明，它在可塑性、耐用性和化學(xué)穩(wěn)定性等方面都令傳統(tǒng)材料望塵莫及，因此被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界每年的塑料產(chǎn)量已達4億噸且與日俱增。然而，塑料制品的大量生產(chǎn)和利用也同時帶來源源不斷的環(huán)境污染問題，僅中國每年就產(chǎn)生7000多萬噸塑料垃圾。不僅如此，聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等塑料的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，自然環(huán)境下難以分解，會造成長期生態(tài)問題。因此，PET廢棄物的有效降解已成為當今人類社會急需解決的問題之一。PET生物降解法具有環(huán)境友好、條件溫和的優(yōu)勢，而高溫條件下有利于提高塑料的生物降解效率，因此，嗜熱PET降解體系一直是國內(nèi)外科研人員關(guān)注的焦點。
青島能源所崔球研究員領(lǐng)導(dǎo)的代謝物組學(xué)研究組前期已成功建立了熱纖梭菌這一典型嗜熱細菌的成熟的基因操作平臺，可以通過對熱纖梭菌的任意遺傳改造實現(xiàn)高效全菌催化劑的定向打造。目前，研究人員已經(jīng)將基于熱纖梭菌的全菌催化技術(shù)成功應(yīng)用于木質(zhì)纖維素的生物轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，建立了新型的整合生物糖化技術(shù)。基于此，代謝物組學(xué)研究組與德國格賴夫斯瓦爾德大學(xué)（University Greifswald）Uwe T. Bornscheuer團隊合作，在塑料生物降解領(lǐng)域開展研究，建立了迄今為止已知的最高效的全菌PET塑料降解策略，證實了嗜熱全菌催化策略的優(yōu)越性和應(yīng)用前景。研究成果以“Thermophilic whole-cell degradation of polyethylene terephthalate (PET) using engineered Clostridium thermocellum”為題于2020年4月28日發(fā)表于應(yīng)用生物學(xué)領(lǐng)域國際期刊Microbial Biotechnology。博士研究生顏飛為該論文的第一作者，劉亞君副研究員、崔球研究員、德國Greifswald大學(xué)韋韌副教授為共同通訊作者。
研究人員以熱纖梭菌作為底盤細胞，將來自枝葉堆肥元基因組的嗜熱角質(zhì)酶LCC在熱纖梭菌中進行異源表達，從而成功建立了具有PET降解功能的嗜熱全菌催化劑（圖1）。該全菌催化劑可以在60 條件下，14天內(nèi)成功將60%的商業(yè)化PET塑料薄片轉(zhuǎn)化為乙二醇和對苯二甲酸等可溶性單體（圖2）。這一以熱纖梭菌重組菌株為全菌催化劑的PET降解性能顯著高于之前報道的基于嗜中溫細菌和微藻的全菌催化體系。由于熱纖梭菌可以通過合成纖維小體高效降解木質(zhì)纖維素，因此，基于熱纖梭菌的全菌催化策略還有望在混紡織品廢棄物的生物回收中發(fā)揮出巨大的應(yīng)用潛力。
該工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金委、山東省自然科學(xué)基金委的資助。（文/圖 顏飛 劉亞君）
圖1 PET降解嗜熱全菌催化劑的構(gòu)建及LCC活性分析
圖2 全菌催化劑孵育14天中PET薄膜表面形態(tài)變化
