综述：参与聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯生物降解的微生物和酶

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Microorganisms and enzymes involved in polybutylene adipate terephthalate biodegradation

本综述系统梳理了PBAT（聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯）的生物降解机制，重点分析了在不同环境（特别是土壤）中起关键作用的微生物菌株（如芽孢杆菌属、放线菌门）和酶系统（如角质酶、酯酶）。文章指出，尽管PBAT在工业堆肥条件下可降解，但其在自然环境（尤其是中温条件）下的降解效率仍受结晶度、芳香族单元含量等材料特性制约。作者还批判性评估了当前研究的方法学局限，为开发可持续塑料废物生物技术解决方案提供了重要见解。

　　

引言

塑料因其耐用性、可加工性和低成本自20世纪中叶以来被广泛应用，但其在环境中的持久性对生态系统构成严重威胁。欧盟为实现气候中和目标，正积极投资可生物降解材料作为传统塑料的替代方案。聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)作为一种脂肪族-芳香族共聚酯，因其优异的柔韧性和热稳定性成为重点研究对象。然而，其在自然环境中的生物降解效率仍面临挑战。

PBAT的合成、特性与应用

PBAT通过丁二醇、己二酸和对苯二甲酸的缩聚反应合成，使用锡、钛或锌作为缩聚催化剂。其生产过程包括预混合、预聚合和最终聚合三个阶段，需在高温真空条件下进行以去除水分。PBAT并非生物基塑料，但其单体正尝试通过生物基来源制备。

PBAT的机械性能接近低密度聚乙烯(LDPE)，熔点115-125°C，断裂伸长率高达670%，适用于吹膜工艺。其主要应用领域包括食品包装和农用地膜。为降低成本并改善性能，常与聚乳酸(PLA)、热塑性淀粉(TPS)或木质素等材料共混，并通过添加相容剂（如马来酸酐）优化界面结合。

生物降解的定义与标准

根据国际标准化组织(ISO)、美国材料与试验协会(ASTM)和欧洲标准化委员会(CEN)的定义，生物降解需在特定环境条件下由微生物酶促作用导致化学结构显著改变。CEN进一步强调最终产物应为水、CO₂（或甲烷）及新细胞生物质。需区分“生物基”（原料来源于生物质）与“可生物降解”（可被微生物分解）的概念。

PBAT生物降解的生物催化剂

PBAT降解的第一步是酶促水解，主要由酯酶、角质酶、脂肪酶和PBAT水解酶催化。其过程首先攻击无定形区的脂肪族酯键（丁烯己二酸单元），生成对苯二甲酸双(4-羟丁基)酯和1,4-丁二醇；芳香族酯键（丁烯对苯二甲酸单元）则水解为对苯二甲酸单(4-羟丁基)酯和对苯二甲酸。

对苯二甲酸通过芳香族代谢漏斗转化为原儿茶酸，进而生成丙酮酸和乙酰辅酶A；1,4-丁二醇氧化为4-羟基丁酸后转化为琥珀酰辅酶A；己二酸则通过己二酰辅酶A连接酶激活后进入β-氧化。这些产物最终进入三羧酸(TCA)循环释放能量。

目前已发现的PBAT降解微生物主要属于放线菌门、厚壁菌门和变形菌门。在高温条件下，热纤维素链霉菌(Thermobifida cellulosilytica)和白色热裂孢菌(Thermobifida alba)是主要降解者；中温环境中，枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)以及鞘氨醇杆菌属(Stenotrophomonas)等可从土壤中分离。厌氧条件下，哈索韦 Hungatella hathewayi（原Clostridium hathewayi）能降解PBAT。真菌如淡紫色紫孢霉(Purpureocillium lilacinum)和黄隐球酵母(Cryptococcus flavus)亦表现出降解能力。

土壤环境中的PBAT生物降解

PBAT在土壤中的降解速率较慢（如180天降解21%），远低于聚羟基烷酸酯(PHAs)。但研究表明，土壤微生物群落的协同作用可加速降解，例如热二孢菌(Thermobispora bispora)与地芽孢杆菌(Geobacillus)的共培养体系。不同土壤类型（如褐土、黑土）因微生物组成差异导致降解率波动（0.3%-16%）。土壤中的芽孢杆菌和放线菌通过分泌脂肪酶参与降解，且其丰度在降解过程中显著上升。

影响PBAT生物降解的材料特性

1. 1.
   化学结构：脂肪族链段比芳香族链段更易降解；
2. 2.
   结晶度：无定形区易于水解，高结晶度会阻碍水分子扩散；
3. 3.
   分子量：高分子量链段难以被微生物同化；
4. 4.
   表面特性：粗糙表面增加微生物附着点，亲水性改性可加速水解。例如，PBAT与淀粉共混后降解率从6%（纯PBAT）升至53%（100天），得益于填料降解增加的有效表面积。

PBAT共混物或复合材料的生物降解

PBAT与PLA、TPS或木质素的共混物需关注相容性对降解的影响。例如：

• •
  PLA/PBAT蒙脱土纳米复合材料因黏土增强水渗透而加速水解，但延缓寡聚物扩散；
• •
  PBAT/木质素薄膜机械性能下降，但降解不均匀；
• •
  添加碳酸钙纳米颗粒会降低表面润湿性，抑制崩解。
  相容剂（如Joncryl ADR-4368）可改善力学性能，但可能因提高结晶度延缓降解。

结论与展望

PBAT在环境相关条件下显示生物降解潜力，但其在土壤中的效率受限于降解微生物的稀缺。未来研究应聚焦：

1. 1.
   开发生物基PBAT单体绿色合成路径；
2. 2.
   通过酶敏感键或生物触发添加剂优化配方；
3. 3.
   利用宏基因组学等新技术识别未培养微生物的功能酶；
4. 4.
   建立动态土壤反应器模拟真实环境。
   明确PBAT废弃物的分类处置（如工业堆肥）和消费者教育对避免“可降解塑料”误解至关重要。