活性污泥水解酶降解废弃与生物基聚酯：新型REPolymer的酶解机制与回收潜力

为解决塑料污染与回收难题，研究人员从污水处理厂活性污泥宏基因组中鉴定出一种新型Rhizobacter sp.水解酶(Rhb)，系统研究了其对PET衍生物与生物基单体合成的四种REPolymer的降解机制。结果表明Rhb具有优于IsPETase的热稳定性(65.2°C Tm)，通过内切方式优先释放MHET和C10二聚体，为开发闭环回收策略提供了新思路。

　　

全球每年产生约2550万吨聚乙烯 terephthalate(PET)塑料，但传统热机械回收会导致聚合物链断裂，而完全解聚为单体又面临乙二醇(EG)提纯能耗高的困境。与此同时，生物基聚酯的开发需要兼顾可再生原料与可降解性。在这项发表于《Bioresource Technology》的研究中，Lukas Chalwatzis团队另辟蹊径，从香港污水处理厂活性污泥宏基因组中挖掘出一种天然优化的水解酶，为同时解决塑料回收与生物基材料开发提供了双赢方案。

研究采用宏基因组筛选、蛋白质工程和生物反应器发酵等技术，结合LC/MS和HPLC-DAD多维度分析手段。关键实验包括：从六座污水处理厂活性污泥中鉴定Rhb基因；通过4L平行生物反应器系统实现120mg/L产量；运用动态光散射(DLS)测定酶热稳定性；采用MS-Orbitrap和TOF联用技术解析REPolymer降解产物。

3.1 In-silico鉴定Rhizobacter sp.水解酶

通过计算生物学筛选发现，Rhb与Ideonella sakaiensis PETase(IsPETase)仅差6个氨基酸，但天然携带K95N、D186N和S214H等已知增强稳定性的突变位点。Cello v2.5预测其胞外分泌特性，为后续应用奠定基础。

3.2 酶表达与特性表征

在E.coli BL21(DE3)中表达时，Rhb表现出显著磷脂酶活性导致细胞裂解，需添加14mL/L消泡剂。纯化酶对p-NPB的k_cat达3.64 s^-1，65.2°C熔解温度(T_m)超越Thermo-PETase(58°C)。特别值得注意的是，5mM MHET浓度下未观察到产物抑制现象，这显著优于Thermobifida fusca cutinase。

3.3 REPolymer水解机制

针对四种分子量5-34kDa的REPolymer(BG_L/BG_H含BHET-戊二酸，BGC10a/b添加癸二醇)，Rhb展现出独特的endo-型切割特性：

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  主要产物MHET在40°C时积累量达7mM，24小时内增长5倍而TPA仅增2倍

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  首次检测到"PET寡聚体"MHET+MHET和MHET+TPA

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  癸二醇衍生物TPA+C10成为第二强质谱信号

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  戊二酸-乙二醇二聚体(GA+EG)呈现与MHET相似的积累模式

与20%结晶度的PET瓶片相比，无定形PET薄膜水解效率低10倍，说明粒径比结晶度更影响酶解效率。值得注意的是，含癸二醇的BGC10b因T_g降至-10°C，其114°C熔点显著低于其他REPolymer(168°C)。

这项研究通过"自然智慧"解决了PETase工程中的关键矛盾：Rhb既保持IsPETase偏好生成寡聚体的特性，又具备接近工业用LCC酶的热稳定性。其独特的endo-型切割模式产生的MHET和C₁₀二聚体，比完全解聚的TPA更适于直接再聚合。研究者特别指出，未来结合磁性纳米颗粒固定化或超滤膜反应器技术，可进一步提升Rhb在REPolymer闭环回收中的应用潜力。该发现不仅为废水处理系统中的塑料降解提供了生物标志物，也为设计"可酶解回收"的新型生物基聚酯提供了分子蓝图。