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本文聚焦塑料循环生物经济，综述酶促回收与微生物升级循环技术进展。塑料污染严重，当前回收效率低。酶促回收中 PET 水解酶研究成果多，但聚合物结晶性是障碍。微生物升级循环将塑料单体转化为增值产品，对混合塑料处理有优势，为塑料循环经济提供新方向。
引言
自 20 世纪后半叶起，塑料产量呈指数级增长，全球年产量超 4 亿吨。多数塑料在使用寿命结束后被填埋、焚烧或泄漏到环境中，仅有不到 10% 被回收。各国设定了雄心勃勃的回收目标，联合国也即将出台具有法律约束力的塑料条约，因此迫切需要实施更高效的废物管理方案，开发替代回收技术，防止塑料废物进一步累积。
微生物经过漫长进化，具备降解复杂碳基生物聚合物的能力，如多糖、聚酯、木质素和天然橡胶。它们通过细胞外解聚作用释放低分子量化合物，进而被微生物细胞吸收。微生物的酶促和代谢多样性，为塑料废物的生物降解、回收和升级循环提供了巨大潜力。然而，人造塑料问世不到百年，比天然聚合物更难降解，微生物对合成聚合物的降解能力有限。尽管如此，近二十年来，这一潜在应用领域的研究蓬勃发展。本文将重点围绕细菌资源，回顾塑料酶促回收和微生物升级循环的相关进展。
塑料的微生物降解
塑料在开放环境中的降解时间差异巨大，可从几个月（可生物降解塑料）到数百年不等。降解时间取决于聚合物的物理化学和热机械性质、物品及其碎片的形状（如薄膜、颗粒、纤维），外部因素（温度、pH 值、氧气和水的可获得性、光照）也对降解速率起着关键作用，不同环境下塑料的降解程度不同，这同样适用于可生物降解和可堆肥塑料。
在实验室控制条件下，具有可水解键的聚合物，如聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚酰胺（PA）和聚氨酯（PU），已被明确证实能够发生生物降解。经过酶或微生物处理后，可以检测并量化单体、二聚体和简单低聚物的释放。
相比之下，含有 C-C 主链的塑料，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）和聚苯乙烯（PS），对酶的攻击更为惰性，通常需要先进行非生物降解，如紫外线介导的氧化。目前，微生物及其酶能否真正降解未经处理的原始聚烯烃在该领域仍存在争议。通常采用重量损失、聚合物质量分布变化或检测新官能团等方法评估这些塑料的生物降解情况，但近期研究指出，这些方法获得的实验数据解释存在困难，它们的特异性和灵敏度不足以区分极低的生物降解率和误差。因此，同位素分析越来越被视为证明这类塑料生物降解（即掺入生物质和矿化）的金标准。
鉴于这些限制，塑料废物的酶促回收和生物转化在 PET 方面取得的进展最多，关于 PET 酶促解聚的首次报道可追溯到 21 世纪初。然而，热催化解聚和微生物升级循环相结合，正逐渐成为处理更多类型消费后塑料废物的可行选择，特别是那些不适合其他回收过程的混合聚合物或严重污染的塑料。
传统塑料的酶促回收
自发现来自坂口鞘氨醇单胞菌（Ideonella sakaiensis ）的 PET 水解酶（IsPETase）后，塑料酶促回收的研究进展加速。PET 水解酶可切断这种芳香族聚合物中的酯键，释放对苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG）。优先发生的是内切型链断裂，随机出现在聚合物表面。对于 IsPETase 及其变体而言，完全水解生成 TPA 和 EG 的效率较低，但特异性水解单（2 - 羟乙基）对苯二甲酸酯（MHETase）和双（2 - 羟乙基）对苯二甲酸酯（BHETase）的酶协同作用，可提高单体产率。
PET 水解酶已成为蛋白质工程方法的试验场，旨在改善合成聚合物的酶促回收。这些方法包括使用机器学习算法、定向进化和构建嵌合蛋白，例如融合 PETase 和 MHETase 酶，或引入聚合物结合域和细胞表面展示域。提高酶的热稳定性是最常见的工程目标，因为 PET 解聚在其玻璃化转变温度附近效率最高。目前，一种使用工程化叶堆肥角质酶变体的工艺正在商业规模开发中，在约 70°C 下反应 24 小时，可实现非晶化 PET 的近乎完全解聚。同时，也有研究致力于提高酶在较低温度下的性能，重点关注生物修复或开发活细胞转化 PET 的一步法生物工艺。值得注意的是，从头酶设计最近已应用于工程化能够解聚 PET 纳米颗粒的蛋白质纳米孔，有望用于废水处理。
PET 酶促解聚的研究成果为其他难降解塑料的酶促回收奠定了基础。目前，人们正在靶向和改造新的水解酶，用于 PA 和 PU 的解聚，但这些酶对底物的活性仍然很低，仅限于易于接触的聚合物链或低聚物，因此起始材料通常需要进行大量预处理。在这方面，化学和酶促处理相结合，通过由过氧化物酶、醇脱氢酶、拜耳 - 维利格单加氧酶和脂肪酶组成的酶级联反应，已实现将低分子量 PE 解聚为 ω - 羟基羧酸和 α,ω - 二羧酸。尽管仍有很大的改进空间，但近年来 PET 酶促回收取得的巨大进展令人鼓舞。
然而，聚合物结晶度仍是酶促回收的主要限制因素。通常需要在酶促解聚前对聚合物进行预处理使其非晶化。对 PET 酶促回收的技术经济分析和生命周期评估表明，预处理是影响工艺成本和环境影响的重要因素，这意味着只有在处理严重污染的废物且对单体纯度要求较高时，酶促回收才比其他技术更具竞争力。不过，一些替代方法，如使用湿固相反应混合物结合球磨，可能无需预处理即可降解高结晶度的 PET。开发能够作用于高结晶度底物的酶，仍是该领域的主要挑战之一。
塑料衍生单体的生物升级循环
无论是通过酶促还是化学方法，塑料都必须分解为低分子量化合物，才能被微生物同化。然后，利用具有适当分解代谢途径的工程菌株或野生型菌株，可实现这些化合物的生物转化。在许多研究中，恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida ）KT2440 是转化塑料相关底物的常用菌株，它是一种遗传易于操作的土壤细菌，具有多样且强大的代谢能力。与酶促回收类似，塑料生物升级循环在 PET 方面取得的进展最多。尽管人们尝试开发 PET 酶促解聚和细胞生长同时进行的整合生物工艺，但大多未成功，这可能是因为 TPA 和 EG 的释放速率过低，无法维持细胞生长。因此，大多数关于 PET 生物升级循环的研究依赖两步法，即先对 PET 进行热化学和 / 或酶促解聚，再将解聚产物供给微生物细胞。
PET 的组成单体通过不同的代谢途径进行代谢。在好氧细菌中，TPA 被转化为原儿茶酸，这是芳香族降解途径的常见中间产物，最终进入中心代谢。早期研究中，野生型细菌分离株被用于将 PET 热解产生的 TPA 转化为聚羟基脂肪酸酯（PHA），作为生物塑料应用。此后，TPA 同化相关基因被导入不同的异源宿主，使其能够利用该底物生长。对突变菌株和野生型菌株的进一步代谢工程改造，实现了将 TPA 转化为多种增值生物产品，如在Pseudomonas umsongensis GO16 和P. putida KT2440 中转化为羟基烷酰氧基烷酸酯、鼠李糖脂或 β - 酮己二酸，在Rhodococcus jostii RPET 中转化为番茄红素和脂质。
相反，EG 通过氧化为乙醛酸进入中心代谢。在用于 PET 升级循环的假单胞菌属菌株中，EG 通过甘油酸途径与糖酵解途径交汇，该途径可将两分子乙醛酸转化为 2 - 磷酸甘油酸，并释放 CO2 。然而，这条途径通常受到抑制。通过适应性实验室进化和靶向敲除甘油酸途径的转录抑制因子，获得了能够将 EG 转化为生物质的突变菌株，提高了假单胞菌共代谢 TPA 和 EG 的能力。此外，β - 羟基天冬氨酸途径也已在大肠杆菌和P. putida KT2440 中构建，该途径能够更高效地利用 EG 的能量和碳源。
PET 的微生物转化也为合成生物学和系统生物学方法在塑料废物升级循环中的应用提供了契机。例如，利用代谢模型驱动的策略，在营养平衡条件下提高了酶解 PET 生产 PHA 的效率，缩短了生产时间，提高了生物质和 PHA 的产量。另一项研究中，构建了由两种P. putida 菌株组成的合成菌群，每种菌株分别专门同化 TPA 或 EG，与同时含有两条途径的单一菌株相比，该菌群能够更快、更完全地共消耗两种底物，但会出现代谢中间产物积累的现象。同样，通过分工策略提高了 PET 生产 PHA 和粘康酸的产量。然而，合成菌群增加了系统的复杂性，需要根据特定的原料和目标产物调整培养物中不同菌株的比例。进一步开发这些策略，有助于提高塑料废物转化生物工艺的产量、滴度和生产效率。
与 PET 相比，其他预处理塑料的升级循环研究虽仍处于起步阶段，但也取得了重要进展。PS 热解产生的苯乙烯可被某些假单胞菌属菌株通过苯乙酸途径代谢，并可用于 PHA 的合成。中链二醇和二羧酸是 PU、聚酯和尼龙水解或 PE 氧化解聚后得到的单体。来自鲍氏不动杆菌（Acinetobacter baylyi ）ADP1 的二羧酸途径已成功导入P. putida ，使其能够利用这些底物生长，该途径与苯乙酸途径交汇。二羧酸途径还使P. putida 能够利用 PA 单体 6 - 氨基己酸和己二胺生长。此外，特定的微生物混合培养物已用于模型 PU 单体（包括己二酸、1,4 - 丁二醇、EG 和 2,4 - 甲苯二胺（TDA））的升级循环。但研究发现 TDA 会严重抑制细胞生长，因此在假设的 PU 升级循环生物工艺中，可能需要增加萃取步骤。这一现象表明，在处理实际消费后废物时，需要考虑某些塑料成分或添加剂对微生物生长的潜在抑制作用。
利用细菌转化塑料相关化合物的最大优势之一，在于其 “分解代谢汇聚” 能力。这一能力为处理难以分离的混合聚合物或有机残留物污染的塑料废物提供了可能。近期有两个利用工程化P. putida 菌株的案例：一是将混合的 PET、PS 和 PE 氧化解聚为 TPA、苯甲酸和二羧酸，然后由单一的P. putida 菌株同化这些产物，生产 PHA 和 β - 酮己二酸；二是将 PET、聚乳酸、纸浆、纺织混合物、木质纤维素生物质和食物垃圾一锅法酶解为混合糖、芳香族化合物和脂肪酸，再通过微生物转化步骤将其升级循环为 PHA 和重组蛋白。尽管这些工艺还有很大的改进空间，但它们为减少被焚烧或填埋的混合或污染消费后塑料废物比例提供了有价值的起点。
未来展望
每年约产生 3.5 亿吨塑料废物，塑料污染已成为全球亟待解决的紧急问题。这一艰巨任务需要重新评估塑料的整个生命周期，包括最终的废物管理。机械回收仍是目前最具成本效益的塑料回收方法，但不适用于处理大多数消费后废物。因此，需要开发互补技术以提高塑料回收比例，并根据废物类型设计最合适的处理流程。虽然生物回收和升级循环技术的成熟度相对较低，但在生物经济背景下，它们有潜力从塑料废物中生产出众多增值产品。
生物基和可生物降解塑料（通常称为生物塑料）被视为解决传统塑料问题的有前景的方案。目前，生物塑料在市场中的份额仍不到 1%，但预计未来几年将有所增长。因此，人们越来越意识到需要将这些材料纳入回收体系。现有的回收设施需要进行改造，以分类和处理这些新兴聚合物，相关技术也已问世。微生物对塑料废物的回收和升级循环，用于生产新型生物基聚合物，将为实现真正的塑料循环经济做出重要贡献。
