基于微藻表面固定化双特异性酶支架的生物杂化系统增强PET降解及水生环境适应性研究

为解决PET塑料环境累积难题，研究人员开发了基于Chlorella vulgaris的酶固定化生物杂化系统（ePDEC），通过双特异性碳水化合物结合模块（CBM）增强酶与藻类/PET的黏附性，使PET降解效率提升4倍（实验室条件）和7%（自然环境），同时促进藻类生物量积累与叶绿素合成（Chl a 6.3 μg/mL；Chl b 4.0 μg/mL），为塑料生物降解与藻类资源化提供了创新策略。

　　

塑料污染已成为全球性环境危机，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）因难以自然降解而备受关注。尽管传统回收技术存在高能耗、低效率等问题，生物降解策略因其环境友好特性展现出巨大潜力。韩国海洋科学技术振兴院（KIMST）的研究团队独辟蹊径，将工程化塑料降解酶复合体（ePDEC）固定在普通小球藻（Chlorella vulgaris）表面，构建出既能高效分解PET又能促进藻类生长的双功能系统。这项发表于《Journal of Water Process Engineering》的研究，为水生环境塑料治理提供了全新解决方案。

研究团队采用蛋白质工程改造技术，对PETase进行7处突变（PETase-7mut-doc），并整合来自不同微生物的碳水化合物结合模块（CBM），形成具有双亲合特性的酶支架。通过流式细胞术和共聚焦显微镜验证酶在藻类表面的定位效率，利用HPLC定量检测降解产物TPA（对苯二甲酸）和EG（乙二醇）。环境验证实验直接采用首尔城北川淡水样本，模拟真实生态条件。

【工程化双亲和酶支架】筛选来自Clostridium thermocellum等菌株的CBM模块，构建CBM6_CBM1/CBM3组合支架，使酶对藻类细胞壁和PET的黏附效率提升80%。突变体PETase-7mut-doc在25-40℃和pH 6-9范围内保持稳定活性。

【生物杂化系统构建】将ePDEC通过共价偶联固定在C. vulgaris表面，扫描电镜显示酶均匀分布在藻类细胞壁。与游离酶相比，固定化系统使PET薄膜质量损失率从1%提升至4%（96小时），TPA释放量增加2.5倍。

【藻类生理响应】固定化处理显著促进藻类生长，生物量增加35%，叶绿素a/b分别达到6.3 μg/mL和4.0 μg/mL。qPCR检测显示抗氧化基因（sod1、cat2）表达上调2-3倍，表明系统激活了藻类应激保护机制。

【环境验证】在城北川水体中，系统仍保持7%的PET降解效率，且藻细胞存活率>90%。降解产物分析显示TPA/EG摩尔比接近1:1，证实完整解聚途径。

该研究创新性地将合成生物学与生态工程相结合，突破传统生物修复中"降解-生长"难以兼得的瓶颈。双亲和CBM支架设计为多界面酶固定化提供新思路，而藻类应激响应的发现则揭示了生物杂化系统的环境适应性机制。相比现有技术，该系统在常温常压下即可运行，且降解产物可直接用于藻类增值，实现"污染治理-资源再生"闭环。未来通过优化CBM组合与扩大藻种库，有望发展出适应海洋、工业废水等复杂环境的定制化解决方案，为全球塑料危机提供可持续应对策略。