综述：聚酯衍生单体作为微生物原料：探索聚酯升级回收的景观

这篇综述系统阐述了聚酯（PET/PBAT/PBS/PCL/PLA等）升级回收的前沿进展，聚焦微生物将降解单体（TPA/EG/LA/BDO等）通过代谢工程转化为高值化合物（PHAs/BNC/βKA/芳香酸等）的分子机制，为构建"塑料降解-单体转化-产品合成"的闭环生物经济提供了创新思路。

　　

聚酯升级回收的微生物转化版图

生物基塑料的循环革命
自20世纪初大规模应用以来，塑料已成为现代生活不可或缺的材料。然而传统填埋处理方式导致的环境污染问题日益严峻。20世纪70年代起，机械化学回收与生物解聚技术相继发展，其中微生物升级回收策略通过将塑料废物转化为更高价值产品，展现出独特优势。聚酯类塑料因其酯键易断裂的特性，成为当前生物升级研究的主要对象。

传统塑料处理技术的局限
线性经济模式下的塑料管理存在明显缺陷。虽然机械回收在欧洲包装领域实现65%的回收率，但热机械降解导致的材料降级制约其发展。化学回收虽能实现完全解聚，但高昂的能耗成本阻碍规模化应用。新兴的生物解聚技术利用微生物分泌酶（如PETase/MHETase）将聚合物分解为单体，为温和条件下的塑料处理提供可能。截至2025年，全球已发现800多种塑料降解微生物和200多种相关酶。

聚酯单体的代谢迷宫
选择具有商业价值的可降解（PBAT/PBS/PCL/PLA）与非可降解（PET）聚酯作为研究对象，其完全解聚可产生7种特征单体：

• 对苯二甲酸（TPA）：通过TPA 1,2-双加氧酶（TphAabc）和DCD脱氢酶（TphB）转化为原儿茶酸（PCA），进而通过3条分支途径代谢：

  • 4,5-裂解途径生成2-吡喃酮-4,6-二羧酸（PDC）
  • 3,4-裂解（β-酮己二酸途径）进入TCA循环
  • 经芳香族化合物合成途径产生没食子酸、香草醛等高值产物

• 乙二醇（EG）：通过吡咯喹啉醌依赖型醇脱氢酶（PedE/H）氧化为乙醇醛，经乙醛脱氢酶（AldA）转化为乙醇酸，最终通过乙醛酸羧连接酶途径或β-羟基天冬氨酸循环同化

• 1,4-丁二醇（BDO）：在恶臭假单胞菌KT2440中通过直接氧化途径转化为4-羟基丁酸（4HB），进而合成聚4-羟基丁酸酯（P4HB）

代谢工程的高光时刻
通过理性设计和定向进化，研究人员构建了多个高效转化系统：

• 芳香族化合物工厂：大肠杆菌PCA-1株表达Comamonas sp. E6的tphAabc-tphB基因簇，3小时内实现TPA到PCA的转化率81%；进一步与表达突变型p-羟基苯甲酸羟化酶（PobA^Mut）的菌株共培养，可将没食子酸产量提升至93%

• 己二酸绿色合成：将Acinetobacter的chnD（HHA脱氢酶）与chnE（6-氧代己酸脱氢酶）在大肠杆菌中表达，使ε-己内酯解聚产物6-羟基己酸（HHA）100%转化为尼龙前体

• 微生物联盟策略：设计恶臭假单胞菌Pp-T（专攻TPA代谢）与Pp-E（专攻EG代谢）的共生体系，在PET水解液中实现PHAs产量提升92%

高值产物的应用星河
微生物升级产物在多个领域展现卓越价值：

• 医疗材料：P4HB获FDA批准用于可吸收缝合线，其拉伸强度达50MPa，降解周期可调（12-52周）；细菌纳米纤维素（BNC）凭借20-100nm的三维网络结构，成为组织工程理想支架

• 功能化学品：β-酮己二酸（βKA）替代石油基己二酸生产尼龙-6,6类似物，减少56%碳排放；2,4-二羟基丁酸（DHB）作为平台分子可合成1,3-丙二醇等重要中间体

• 活性成分：番茄红素通过MEP途径合成，在工程化红球菌RPET中产量提升300倍；鼠李糖脂生物表面活性剂于2024年实现工业化生产

挑战与未来方向
当前技术瓶颈主要体现在混合水解产物抑制、途径通量失衡等问题。通过蛋白质工程优化解聚酶（如FAST-PETase）、开发人工微生物群落、整合化学-生物杂合系统等创新策略，将推动塑料升级回收向工业化迈进。随着全球首个rRNA数据库（PlasticDB）的建立和机器学习辅助酶设计工具的应用，塑料生物循环经济正迎来突破性发展契机。