塑料共代谢升级循环：微生物降解与增值转化的协同策略研究

本文针对全球塑料污染危机，系统评述了微生物降解塑料（PE/PP/PU/PET）及其单体升级循环的研究进展。研究发现当前降解速率（低至4%/26天）与增值转化效率（如乙二醇(EG)产乙醇酸(GA)达1.5 g/L/h）存在数量级差异，提出混合营养策略（如EG与葡萄糖共代谢）可将丁酸生产率提升3倍，为闭环塑料经济提供新思路。

　　

塑料污染已成为威胁全球生态和人类健康的重大挑战。2022年全球塑料产量达4亿吨，但仅有9%被回收，约22%直接进入环境形成持久性微塑料。传统"生产-废弃"线性经济模式难以为继，而微生物降解与升级循环技术因其环境友好性和资源转化潜力备受关注。然而，当前技术面临两大瓶颈：一是微生物降解速率缓慢（如聚乙烯(PE)降解率仅19.8%/35天），二是降解产物增值转化效率不足（多数产物生产率<0.1 g/L/h）。

发表在《Metabolic Engineering Communications》的这项研究通过系统分析历史文献数据，首次量化比较了不同塑料（PE/PP/PU/PET）的微生物降解速率与单体转化效率。研究人员采用文献计量学方法筛选了1976-2024年间代表性研究，重点评估降解效率（wt%/时间）和增值转化参数（生产率、得率、效价）。通过基因组尺度代谢模型(iAF1260)模拟，创新性提出混合营养策略的解决方案。

1. 降解
通过整理历史数据发现，除聚氨酯(PU)降解菌Streptomyces sp PU10实现96%/48小时的突破外，多数塑料降解速率停滞不前。聚乙烯(PE)降解研究虽从2005年持续至2023年，但效率始终维持在6-19%/月水平。关键限制因素包括：非模式微生物（如Brevibacillus brevis）遗传工具缺乏、降解途径未完全解析（PET除外），以及碳源单一性限制（如Pseudomonas chlororaphis需酵母提取物辅助）。

1.2 升级循环
PET单体转化研究最为成熟，乙二醇(EG)通过glycolate oxidase途径可高效转化为乙醇酸(GA)（最高31 g/L，1.5 g/L/h）。但对苯二甲酸(TA)转化面临更大挑战：尽管Escherichia coli可生产原儿茶酸（3.8 g/L，0.14 g/L/h），但多数生物聚合物前体（如聚羟基脂肪酸酯PHA）生产率<0.01 g/L/h。两阶段发酵（先葡萄糖扩培后单体转化）成为主流策略，但过程经济性仍不理想。

1.3 共代谢新策略
研究团队通过代谢模型预测：EG与葡萄糖共代谢可使丁酸生产率从1 mmol/gCDW/h提升至3 mmol/gCDW/h。关键机制在于EG分解产生2分子NADH，恰好支持丁酸合成途径（需2NADH）。这种能量耦合使细胞在维持0.25/h比生长速率的同时实现高效生产，碳效率达理论最大值80%。

2. 讨论
该研究首次揭示降解与升级循环速率不匹配是闭环塑料经济的主要瓶颈（降解速率普遍低1-2个数量级）。提出的混合营养策略突破传统单一底物限制，特别适用于需要还原力（NADH）的合成途径（如脂肪酸、生物聚合物）。未来研究应聚焦：1) 解析PE/PP/PU降解途径以指导工程改造；2) 开发生物-热化学耦合工艺；3) 开展共代谢过程的技术经济评估。这项研究为设计下一代塑料循环技术提供了理论框架和方法学指导，对实现碳中和目标下的可持续材料管理具有重要意义。