综述：重新思考塑料废物：基于油的聚酯和生物塑料酶法分解的创新

本综述系统探讨了酶法降解石油基聚酯（如PET）和生物塑料（如PLA、PBAT、PHAs）的最新突破，涵盖了新型高通量筛选技术、计算驱动的酶设计（如机器学习辅助的de novo设计）、微生物平台构建及自降解材料开发等前沿方向。文章强调酶解过程与循环经济原则的契合性（如单体回收和升级再造），为解决全球塑料污染（年产量超3.6亿吨）提供了绿色生物催化方案。

　　

应对塑料挑战：从环境问题到生物催化解决方案的可持续转型

塑料污染已成为21世纪最紧迫的环境挑战之一，全球年产量超过3.6亿吨，其中大量积累在陆地与海洋生态系统中。生物塑料作为传统石油基塑料的替代品备受关注，但其概念存在模糊性：包括生物基不可降解塑料（如生物聚乙烯bio-PE）、化石基可降解塑料（如聚己内酯PCL）以及生物基可降解塑料（如聚乳酸PLA、聚羟基脂肪酸酯PHAs）。目前生物塑料仅占全球塑料产量的1%，但市场增长迅速，预计到2035年将达到980亿美元。

酶法解聚策略因其绿色、低环境影响的特点而兴起。多数生物塑料和传统聚酯（如PET）主链含有酯键，易被酯酶水解。早在1981年，Williams团队已报道使用蛋白激酶K（proteinase K）水解PLA，但直到2016年_{Ideonella sakaiensis}细菌及其PET水解酶（_IsPETase）的发现，才真正推动该领域发展。目前已有125种酶与PET水解相关，82种与生物塑料降解相关。

所有聚酯降解酶均属丝氨酸水解酶家族，具有经典的Ser-His-Asp/Glu催化三联体结构。以_IsPETase为例，其活性位点包含TPA结合区域（亚位点I）和引导底物结合的亚位点II。催化过程中，Ser160的质子通过"移动组氨酸"机制转移，Asp206与His237形成氢键，氧阴离子空穴稳定过渡态。

PET酶法分解的最新趋势

PET是由对苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG）通过酯键连接的芳香聚酯，广泛用于纺织和包装材料。酶法解聚需在接近PET玻璃化转变温度（T_g≈69°C）下进行以防止再结晶，这对酶的耐热性提出高要求。

自2018年Austin团队的开拓性工作以来，多种_IsPETase变体被开发，包括ThermoPETase、FAST-PETase、DuraPETase等。2020年后，枝堆肥角质酶（LCC）因其优异热稳定性和高反应速率成为领先生物催化剂。近年来，莱比锡聚酯水解酶7（PHL7）也因其类似LCC的特性受到关注。

下一代PET解聚生物催化剂

当前研究趋势从单步蛋白质工程转向整合计算工具与迭代突变的工作流。Gao团队通过靶向_IsPETase的β-片层核心区域，利用Consurf、FoldX等工具预测稳定性，最终获得DepoPETase β变体（含D283R/V84L/N233K/F229Y/R280E/F201I/R53Q/D186H突变），其热稳定性提高22.9°C，在50°C下活性提升179.4倍。

Wang团队通过能量引导累积突变策略（EGAMS）开发了PHL7^{E148K/T158P/S184E/H185Y}（FlashPETase），其在72°C下12小时内可完全解聚消费后PET薄膜，且结晶度影响极小。分子模拟显示其性能提升源于改进的底物结合、降低的产物抑制及增强的结构稳定性。

Groseclose团队结合理性设计（定点突变SDM）、半理性设计（位点饱和突变SSM）和随机突变（DNA改组），开发出在70°C、pH 8.0条件下活性比LCC^ICCG高2.4倍的PHL7变体。

从头设计下一代PET水解酶

进化约束限制了天然酶的多样性。Koch团队设计了HSH-25——一种仅25个残基的_{de novo}肽，具有酯酶活性，其β-发夹结构模拟丝氨酸水解酶催化三联体，解链温度达128°C，在60°C下能降解PET薄膜。

Ding团队采用机器学习驱动策略，通过RF_joint嵌入催化 motifs，设计出较LCC缩短30%（177残基）的_RsPETase1，虽热稳定性较低（T_m=56°C），但催化效率与LCC相当。

PET回收的微生物平台

Gulati团队开发了酵母表面展示系统，在30°C中性pH下完全解聚PET。通过支架锚定FAST-PETase和MHETase，7天内产生4.95 mM TPA，且催化剂可重复使用6次。

Liu团队改造嗜热菌_{Clostridium thermocellum}，基因组整合表达LCC变体，在60°C、pH 8.0下10天实现96.7% PET解聚。该体系还能处理棉-聚酯混纺纺织品废物。

López-Teijeiro团队利用_Intercoil肽将LCC^ICCG固定于自组装纳米球（NS），70°C下48小时后活性保留40%（游离酶仅13%），且连续10次循环后仍保持活性，近乎完全降解低结晶度消费后PET。

生物塑料分解的前沿技术

尽管标榜为可降解，生物塑料在自然环境中降解效率参差不齐。PLA需工业堆肥设施（60°C）才能有效分解，传统处理策略包括堆肥、焚烧和机械回收，但各有局限。

内置生物降解：酶激活自降解塑料

将酶直接嵌入生物塑料是创新方向。Huang团队通过溶液浇铸和熔融挤出将蛋白激酶K融入PLA，96小时37°C下重量损失达78%。但挤出薄膜因表面致密，降解率降至6%，采用固定化酶后提升2.5倍。

Cao团队共价固定蛋白激酶K，获得Pro K@SBA-15-PLA薄膜，在水环境中完全水解时间比堆肥条件缩短36%。

有研究将耐热蛋白酶ProteinT^FLTIER先融入PCL，再与PLA共挤出，0.02%酶载量下20-24周完全降解。商业脂肪酶（如CALB L）嵌入PCL薄膜，3小时即完全解聚。

水解过程依赖水分渗透，但产物（如乳酸）可能局部降低pH抑制酶活。缓冲酶或微胶囊封装可缓解该问题。此类材料已应用于农业地膜和包装领域。

加速生物塑料转化的进化酶

Lu团队通过定向进化获得材料结合肽Cg-Def YH（L9Y/S19H），其对PLA结合亲和力提高1.4倍，与LCC^ICCG融合后，在PLA/PS混合底物上水解效率提升2倍。

Cannon团队通过随机突变和计算模型改造枯草杆菌蛋白酶，获得_BsAprE^{S33T/T99Y/E156S}，对PLLA薄膜活性提高830倍。

Stojanovski团队结合功能富集和计算筛选，从堆肥菌株中鉴定出3种新型PLA降解酶，其中JW44_1708在30°C下18小时转化50% PLA粉末。

用于生物塑料解聚的工程微生物

利用工程微生物分泌解聚酶可降低成本。Murguiondo团队用_{Komagataella phaffii}分泌真菌角质酶FsC，15小时近乎完全水解PDLLA，产生8 g/L乳酸。

Myburgh团队在_{S. cerevisiae}中表达真菌角质酶样酶CLE1，水解PLA薄膜产生9.44 g/L乳酸。_{K. phaffii}表达的_{Thermobifida cellulosilytica}角质酶Thc_Cut1_koST，对PBS薄膜96小时水解率达92%。

结论与未来展望

酶法塑料降解与升级再造领域进展显著，但全面实现循环塑料经济仍面临挑战。未来重点包括：制定酶性能标准化指标；降低工业缓冲剂和能耗需求；利用动力学模型和实时分析优化反应路径；通过宏基因组学、祖先序列重建和机器学习设计发现新酶。

整合解聚与升级再造（如将塑料单体转化为高值化合物）日益受重视。一体化生物过程（酶生产、降解和转化在同一容器中进行）正在成为降低成本和减少苛性碱依赖的可扩展策略。

通过融合分子洞察与工艺创新，PET和生物塑料的酶法降解正从科学概念迈向工业解决方案。