综述：推进塑料废物治理：基于微生物酶的微纳塑料（MNPs）降解以实现环境可持续性

本综述系统阐述了微生物酶技术降解微纳塑料（MNPs）的前沿进展，重点分析了其相较于传统方法的低碳排放、低能耗优势。文章深入探讨了针对不同聚合物（如PET、PE）的酶促降解通路，并评述了酶工程（理性设计、定向进化）、纳米技术（固定化酶）及合成微生物群落等先进策略在克服降解效率与稳定性瓶颈方面的潜力，为发展环境可持续的塑料废物管理方案提供了重要见解。

　　

Abstract

日常生活中塑料材料的广泛使用导致全球范围内产生大量塑料废物，并带来严峻的环境挑战。大多数管理不善并最终进入环境的塑料废物要么降解极其缓慢，要么完全不可生物降解。这导致了被称为“白色污染”的现象，即塑料制品造成的环境污染。此外，塑料废物会分解成更小的碎片，称为微纳塑料（MNPs），并被联合国环境规划署（UNEP）认定为全球十大新兴环境问题之一。MNPs影响整体生态系统健康，加剧环境污染，并破坏生态平衡。微生物酶降解因其碳排放减少、能耗需求较低和环境可持续性，成为MNP废物修复最有利的选择之一。本文对基于微生物酶的MNP生物降解技术进行了全面分析，批判性地审视了针对聚合物的酶促通路。综述进一步讨论了克服这些障碍的先进策略，包括微生物酶工程（理性设计和定向进化）、纳米技术（纳米颗粒上的酶固定化）以及合成微生物群落的开发。尽管实验室结果令人鼓舞，但在规模化、环境酶稳定性、经济可行性以及工程生物体的生态风险评估方面仍存在关键挑战。本工作整合了现有知识，为创新解决方案铺平道路，强调了多学科研究的必要性，以将酶促降解转化为有效、可扩展的战略，实现可持续的塑料废物管理和循环经济。

引言：塑料污染的挑战与微纳塑料（MNPs）的威胁

塑料以其轻便、耐用和低成本的优势，已渗透到现代生活的方方面面。然而，其极高的稳定性也带来了严重的环境后果——“白色污染”。大量废弃塑料进入环境后，在物理磨损、化学腐蚀和光降解等作用下，逐渐破碎成尺寸更小的微塑料（通常指尺寸小于5毫米）和纳米塑料（尺寸小于100纳米），统称为微纳塑料（MNPs）。这些微小颗粒不仅本身难以清除，还能吸附环境中的有毒污染物，并通过食物链富集，最终对生态系统和人类健康构成潜在威胁。

微生物酶降解MNPs的优势与潜力

与传统物理化学处理方法（如填埋、焚烧）相比，微生物酶介导的生物降解展现出显著优势。该过程通常在温和条件下进行，能耗低，且不产生二次污染，符合环境可持续性原则。微生物能够分泌多种水解酶，如酯酶（Esterases）、脂肪酶（Lipases）、角质酶（Cutinases）等，这些酶可以特异性识别并切断塑料聚合物分子链中的化学键（如酯键），将其分解为低聚物、单体乃至最终产物二氧化碳和水，实现塑料的“矿化”。

针对不同聚合物的酶促降解通路

不同化学结构的塑料需要不同的酶进行降解。例如，对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）降解研究最为深入的是来自Ideonella sakaiensis 菌的PETase酶，它能将PET水解为单（2-羟乙基）对苯二甲酸（MHET）和对苯二甲酸（TPA），随后MHETase酶进一步将MHET水解为TPA和乙二醇（EG）。对于聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）这类仅含碳碳主链的聚烯烃，其降解更具挑战性，通常需要氧化酶（如漆酶Laccase、过氧化物酶Peroxidase）先进行羟基化或羧基化，打破其惰性，为后续水解酶的作用创造条件。

提升酶降解效率的先进策略

天然酶往往存在活性低、稳定性差、对特定底物亲和力不足等问题。为克服这些瓶颈，研究人员发展了多种先进策略：

1. 1.
   微生物酶工程：通过理性设计（Rational Design）或定向进化（Directed Evolution）对酶分子进行改造，优化其活性中心、提高热稳定性或拓宽底物谱。
2. 2.
   纳米技术：将酶固定在纳米材料（如磁性纳米粒子、二氧化硅纳米颗粒）表面，可以提高酶的稳定性和可回收性，甚至实现酶的重复使用。
3. 3.
   合成微生物群落：构建由多种具有协同降解能力的微生物组成的群落，模拟自然生态系统，可以更高效地完成复杂塑料混合物的降解。

挑战与未来展望

尽管实验室研究取得了显著进展，但将微生物酶降解技术推向实际应用仍面临诸多挑战。首先是规模化问题，如何将小规模实验扩大到工业或环境修复级别是一大难题。其次，环境中的温度、pH值、污染物等复杂因素会影响酶的稳定性和活性。此外，技术的经济可行性需要进一步评估，以确保其成本效益。最后，对释放到环境中的工程微生物或酶进行全面的生态风险评估至关重要，以避免潜在的负面生态影响。未来的研究需要材料科学、酶工程、环境科学和生态学等多学科的紧密合作，共同推动这一领域的发展，最终为实现塑料循环经济和环境可持续发展提供切实可行的解决方案。