土壤-植物系统富集的镰刀菌菌株降解聚氨酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的生物降解途径解析

为解决塑料污染和回收难题，研究人员从污水处理厂活性污泥中鉴定出一种新型水解酶Rhb，可高效降解PET基新型聚酯（REPolymers），并优先释放寡聚物，为生物回收和可降解聚酯设计提供新策略。该酶具有优于工程化PETase的热稳定性，研究成果发表于《Bioresource Technology》。

　　

塑料污染已成为全球性环境危机，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为第四大合成聚合物，年产量超2500万吨，但传统热机械回收会导致材料性能下降。更棘手的是，PET的耐久性使其在自然环境中难以降解，而现有生物解法如Ideonella sakaiensis PETase(IsPETase)又存在热稳定性差（Tm仅49°C）的缺陷，无法在PET玻璃化转变温度(T_G≈70-80°C)下工作。与此同时，开发兼具生物可降解性和可回收性的新型聚酯（REPolymers）成为减少化石燃料依赖的关键策略。

这项发表于《Bioresource Technology》的研究通过宏基因组挖掘，从污水处理厂活性污泥中发现一种来自Rhizobacter sp.的水解酶Rhb。该酶天然携带三个已知能增强PETase性能的突变位点（K95N/D186N/S214H），表现出65.2°C的熔解温度，在40°C下72小时仍保持完全活性，且能特异性产生以MHET（单(2-羟乙基)对苯二甲酸）为主的寡聚物，而非彻底降解为单体。研究人员合成了四种不同分子量（5-34 kDa）的REPolymers，包含PET结构单元与生物基单体（戊二酸、癸二醇），通过HPLC-DAD、LC/MS等技术系统分析了酶解产物。

关键技术包括：1) 从污水处理厂宏基因组中鉴定Rhb并进行异源表达；2) 采用动态光散射(DLS)测定酶热稳定性；3) 通过p-NPB底物分析酶动力学参数；4) 合成含芳香族/脂肪族链段的REPolymers；5) 结合Orbitrap和TOF质谱解析酶解产物。

研究结果显示：

3.1 In-silico鉴定发现Rhb与IsPETase仅有6个氨基酸差异，其中D186N突变与工程化热稳定PETase的D186H突变位点对应。

3.2 在4L生物反应器中，Rhb产量达120 mg/L，其k_cat值为3.64 s^-1，且不受5 mM MHET产物抑制。对PET瓶片（20%结晶度）的水解效率比无定形PET薄膜高10倍。

3.3 所有REPolymers均被Rhb降解，主要生成MHET（6小时达7 mM），并检测到新型"PET寡聚体"（MHET+MHET）。含癸二醇的REPolymer BGC10b释放TPA+C10二聚体，表明酶对脂肪族/芳香族酯键均具有endo型切割特性。

该研究首次报道了能同时降解PET基聚酯和生物基聚酯的野生型水解酶，其寡聚物主导的降解模式为闭环回收提供了理想底物。与需要MHETase协同作用的IsPETase不同，Rhb的单酶系统更适用于工业化应用。研究还揭示污水处理厂微生物群落可作为新型塑料降解酶的宝库，为预测合成聚合物在环境中的归宿提供了生物标志物。未来通过酶固定化或膜反应器技术，Rhb在实现REPolymers规模化生物回收方面具有重要潜力。