综述：通过微生物生物降解和循环经济创新重新思考塑料问题——综述

《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Rethinking plastics through microbial biodegradation and circular economy innovation – A review

本文系统分析了全球塑料污染的成因、降解机制及应对策略，指出生物降解（微生物及酶工程）与循环经济结合是关键路径，涵盖政策、技术、公众参与多维度解决方案，强调跨学科协作与国际治理的重要性。

　　全球塑料危机已经成为一个复杂的社会环境紧急事件，其成因包括不可持续的生产模式、薄弱的废弃物管理基础设施以及合成聚合物在生态系统的持久性。如今，微塑料和纳米塑料已经渗透到陆地和水生生态系统中，对不同营养级的生物和化学环境造成潜在威胁。本文综述了新兴的生物技术和循环经济策略在塑料可持续性中的应用，特别关注微生物生态系统和酶类创新。通过分析非生物和生物降解路径，探讨了环境因素如光降解、热氧化和水解如何促进微生物定殖和聚合物碎片化。重点评估了包括细菌、真菌、放线菌和藻类在内的关键微生物类群在酶解过程中的作用，同时介绍了基于共生的模型如何在降解复杂塑料混合物方面展现协同潜力。文章还讨论了如聚对苯二甲酸乙二醇酯水解酶、单（2-羟乙基）对苯二甲酸酯水解酶、漆酶和过氧化物酶等酶类，以及计算和合成生物学方法如何增强其催化性能。此外，还探讨了如何将这些生物创新整合到更广泛的系统框架中，研究了混合降解技术、生物基资源化以及与循环经济原则的契合度。政策环境和公众参与机制也进行了评估，同时探讨了通过多边框架和可持续发展目标实现国际协调行动的努力。文章还识别了可扩展性、法规协调和生命周期优化中的关键差距，并提出了从线性到生物整合塑料经济的路线图。通过跨学科综合，本文将微生物和酶类生物降解不仅视为孤立的工具，而是全球协调应对塑料污染和环境韧性的关键支柱。

塑料污染不再是遥远或孤立的问题——它已成为全球性、多尺度、跨学科的危机。从城市水道到偏远的山峰和深海沟壑，塑料碎片已经渗透到地球上的每一个生态系统中。这种污染不仅表现为可见的宏观塑料，更隐秘地表现为微塑料（<5毫米）和纳米塑料，这些是由较大碎片在紫外线辐射、机械磨损和氧化反应等环境应力下逐渐碎裂形成的。微塑料现在在空气中尘埃、饮用水、农业土壤、海鲜甚至人体血液和胎盘中都被频繁检测到，这表明它们的普遍存在及其潜在的毒理学影响对人类和野生动物构成威胁。

塑料污染的环境影响是深远的。塑料能够吸附持久性有机污染物（POPs）、重金属和病原微生物，从而成为化学和生物毒性的载体。海洋生物，包括鱼类、鸟类和海洋哺乳动物，常常将塑料误食为食物，这可能导致胃肠道阻塞、饥饿和毒素暴露。低营养级生物摄入塑料还可能引发生物累积和营养级转移，威胁整个食物链，并最终影响人类健康。据报告，人类每周可能摄入0.1–5克的微塑料，这进一步强调了其对人体健康的潜在影响。

尽管公众意识、立法努力和技术进步在增加，但当前的塑料废弃物管理体系仍然碎片化、不足且反应性。传统的线性经济模型——“取、制、用、弃”——未能考虑合成聚合物的长期环境持久性和累积效应。即使先进的物理和化学回收技术也往往效率低下、经济上不可行或受限于聚合物兼容性、污染和添加剂复杂性。此外，许多所谓的“可回收”塑料要么被降级为低价值产品，要么因缺乏可行的回收流和薄弱的终端处理基础设施而被焚烧。因此，全球科学和政策界正在呼吁采用系统性、整合性的方法来缓解塑料废弃物问题；循环经济范式提供了转型框架，通过设计消除废弃物、保持产品和材料价值以及恢复自然系统来实现这一目标。在循环经济模型中，塑料不再是被丢弃的，而是通过闭环系统被重复使用、再利用、回收或生物降解。生物可降解聚合物、生物基替代品和微生物降解策略代表了可持续材料科学的新前沿，特别是当生物降解过程在适当的环境条件下能够将塑料矿化为无害的最终产物如二氧化碳、水和甲烷时。

在这一背景下，生物基塑料降解系统的发展显得尤为重要。这些系统涉及细菌、真菌、藻类，甚至昆虫肠道微生物群，它们展示了对传统塑料进行酶解的潜力。这些微生物可能作用于完整塑料（如聚乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜）或其降解中间产物，通常需要特定条件如前期氧化、表面粗糙化或营养限制来刺激生物膜形成和酶表达。关键的酶机制包括PETase/MHETase系统、二氧酶和烷烃单加氧酶，这些酶能够裂解酯键、芳香键或脂肪族键。已有多种细菌菌株，如Ideonella sakaiensis、Rhodococcus ruber和Pseudomonas putida，被实验验证具有降解潜力，其效率取决于塑料类型、结晶度和前期处理。

研究和应用微生物降解塑料的潜力正逐步揭示出一种关键趋势，即多种微生物共生体在降解复杂塑料混合物方面展现出协同潜力。微生物降解塑料的过程通常涉及多步、生物介导的反应，包括微生物定殖、酶解以及中间产物的矿化。研究还表明，某些微生物如Ideonella sakaiensis在实验室条件下能够几乎完全降解低结晶度的PET薄膜，而经过基因工程改造的PETase变体则在工业规模应用中展现出显著的提升。这些酶类的发现和应用标志着生物降解技术的重大进展，它们不仅能够加速塑料降解，还可能通过工程手段提高其催化性能和稳定性。

然而，尽管这些进展令人振奋，但在实际应用中仍存在诸多挑战。首先，微生物降解塑料的效率受到多种因素的限制，如塑料的物理化学特性、环境条件和酶的特性。许多研究依赖于预处理或低结晶度的塑料，这些并不代表实际废弃物流中的典型材料。例如，聚乙烯和聚丙烯在受富集微生物或酶处理的条件下通常表现出极其缓慢的表面侵蚀。其次，不完全降解往往导致微塑料碎片或中间产物的产生，这些碎片的环境或健康影响尚未得到充分研究。此外，在开放环境中使用基因工程菌株可能引发生物安全和监管方面的担忧，如水平基因转移、非目标降解（如对耐用生物塑料的降解）以及超出预期范围的扩散。为了减少这些风险，许多现场系统采用天然菌株或在封闭或受控条件下运行。此外，还需要制定标准化的测试协议，如ASTM D5338、ISO 14855等，以确保生物降解性能的测量一致性和可比性。

尽管存在这些挑战，微生物降解塑料的研究仍在快速进展。一些关键的微生物如Ideonella sakaiensis、Rhodococcus ruber和Aspergillus tubingensis已被发现具有显著的降解能力。通过优化实验条件，如使用特定的酶和微生物组合，以及利用先进的生物技术，科学家们正在探索提高降解效率和适应性。此外，随着合成生物学和计算生物学的发展，酶类的工程化和定向进化技术正在成为提升塑料降解能力的重要手段。这些技术能够模拟自然选择，通过迭代的诱变和筛选过程优化酶的性能。同时，基因组学和宏基因组学的进步使得科学家能够从不可培养的微生物中发现新的塑料降解酶，为生物降解技术的扩展提供了潜在的解决方案。

在这一背景下，塑料降解的生物技术正在逐步从实验室研究走向实际应用。一些公司和研究机构正在开发和测试基于微生物和酶的降解系统，以应对塑料污染问题。例如，法国的Carbios公司正在推进基于酶的PET回收技术，并于2021年在克莱蒙费朗建立了示范工厂。此外，一些基于微生物的降解策略，如使用复合微生物群落，也显示出在处理复杂塑料混合物方面的潜力。这些方法不仅能够提高降解效率，还能增强降解系统的环境适应性和稳定性。然而，这些技术在实际应用中仍面临诸多挑战，包括如何提高酶的耐热性和稳定性、如何在工业规模上实现高效的降解，以及如何确保这些技术在实际环境中的可行性和安全性。

因此，本文强调了从实验室研究到实际应用的必要性，以及在这一过程中需要克服的多方面挑战。通过整合生物技术、化学处理和物理方法，科学家们正在探索更加全面和高效的塑料降解方案。同时，政策制定者、企业和公众也需要共同努力，推动这些技术的广泛应用和实施。在这一过程中，跨学科合作和系统性思维将是关键，通过多方面的努力，才能实现塑料污染的长期缓解和可持续管理。最终，塑料降解技术的进一步发展将有助于构建一个更加环保和可持续的塑料经济体系，为应对全球塑料危机提供新的解决方案。