综述：真菌介导的塑料生物降解进展：机制、挑战及未来方向

《Science of The Total Environment》：Advances in fungal-mediated plastic biodegradation: Mechanisms, challenges, and future directions

真菌介导的塑料降解机制、评估框架及产业化挑战研究。

　　

Randa Harrat|Aurélie Philippe|Emmanuel Coton|Ghania Bourzama|Ga?tan Burgaud

生物化学与环境毒理学实验室，Badji Mokhtar-Annaba大学，邮政信箱12，Annaba，23000，阿尔及利亚

摘要

塑料污染是我们这个时代最严重的环境挑战之一，需要创新和可持续的废物管理策略。在新兴的解决方案中，真菌介导的塑料生物降解由于真菌的生态多样性和强大的酶活性而受到了广泛关注。本文综述了真菌降解传统塑料（如聚乙烯（PE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）以及可生物降解聚合物（包括聚乳酸（PLA）和聚羟基烷酸酯（PHA）基聚合物）的最新进展。评估生物降解的方法包括化学、物理和生物指标，以识别当前的局限性和偏差。尽管取得了显著进展，但仍存在重大挑战，如降解速率慢、环境性能不稳定以及可扩展性受限。解决这些限制需要跨学科策略，整合真菌遗传学、酶工程、材料科学和环境生物技术。一个关键步骤是建立一个标准化的、基于证据的评估框架，即“证据阶梯”，根据真菌分类群、酶系统和聚合物类型的真实生物降解潜力对其进行排序。通过识别关键知识空白并强调未来的研究重点，本文强调了真菌介导的生物降解在有效管理塑料废物和缓解全球塑料危机方面的潜力。

引言

过去一个世纪塑料生产的迅速扩张彻底改变了各个行业，重塑了交通、医疗保健、包装以及许多其他领域。塑料以其多功能性、轻质特性和成本效益成为现代社会不可或缺的一部分（Macheca等人，2024年）。然而，它们卓越的耐用性和抗降解性也引发了我们这个时代最严重的环境挑战之一：全球塑料污染（Dhali等人，2024a年）。自20世纪50年代以来，塑料产量呈指数级增长，目前每年超过4亿吨，全球累计积累了80亿吨聚合物，其中只有少量（约30%）仍在使用（Sonke等人，2022年）。其余部分在陆地和水生生态系统中累积，对生物多样性、生态系统功能甚至人类健康构成长期风险（Dey等人，2024年）。

传统的废物管理方法，包括填埋、焚烧和机械回收，已被证明不足以缓解这一危机（Alaghemandi，2024年）。这些方法的效果受到高运营成本、效率低下以及焚烧产生的温室气体、填埋场渗滤液形成和回收过程中微塑料释放等二次污染物的限制。尽管经过数十年的研究，塑料在自然环境中的持久存在凸显了迫切需要可持续的修复方法。在这方面，生物降解，特别是真菌介导的途径，已成为塑料废物管理的一个有前景的替代方案（Udekwu等人，2024年）。

生物降解涉及将复杂的聚合物结构通过微生物转化成更简单、环境友好的化合物（Roy和Chakraborty，2024年）。在微生物降解者中，真菌因其代谢适应性、酶多样性和在多种环境条件下的生态韧性而脱颖而出（Dinakarkumar等人，2024年）。自20世纪70年代首次报道微生物定殖和降解合成聚合物的研究以来（Miri等人，2022年），该领域的研究取得了显著进展，发现了许多能够降解顽固聚合物（如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氨酯（PU）的真菌种类（Khatua等人，2024年；Ru等人，2020年）。同时，人们也关注可生物降解聚合物，包括聚乳酸（PLA）和聚羟基烷酸酯（PHA）基聚合物（例如PHA、PHB、PHBH、PHBV等），尽管理论上可降解，但在自然条件下往往难以降解（Joseph等人，2022年；Rahmati等人，2024年）。

最近的进展加深了我们对真菌降解背后的生化和分子机制的理解，特别是氧化酶系统和水解酶系统在聚合物主链上的互补作用（Okal等人，2023年）。同时，分析方法也在不断发展，整合了化学、物理和生物工具以提高降解效率的评估（Niu等人，2024年）。然而，仍然存在重大挑战，如降解速率慢、聚合物结构异质性和限制实际应用的可扩展性限制（Okal等人，2023年）。

为了解决实验设计的变异性并确保对真菌生物降解数据更一致的解释，本文引入了一个综合评估框架，结合了“证据阶梯”（LE）、底物准备指数（SRI）、环境现实性评分（ERS）和酶-底物匹配（ESM）。这个多维框架为比较研究、评估方法稳健性和识别研究空白提供了标准化基础，从而提高了生物降解评估的可靠性。

虽然已有几篇综述研究了真菌对塑料降解的贡献，但大多数仍然主要是描述性的，侧重于分类学清单或孤立的降解事件，而不是机制或方法论的综合。相比之下，本文旨在提供真菌介导的塑料生物降解的批判性和综合性综述，强调机制理解和环境相关性。具体来说，它旨在：i）系统地比较真菌对传统塑料和可生物降解塑料的降解作用；ii）批判性地评估当前实验和分析方法的优点和局限性；iii）识别限制实际应用的概念和技术瓶颈。通过整合微生物学、材料科学和环境工程的见解，本文建立了一个全面且以决策为导向的框架，以推进基于真菌的策略来减轻塑料污染。最后，虽然本文侧重于聚合物主链的降解，但也认识到塑料添加剂（如增塑剂、填料和稳定剂）会显著影响真菌的相互作用和生物降解速率，这是一个需要进一步研究的新兴领域。

部分摘录

塑料生产的化学基础

塑料是合成或半合成聚合物，其性质来源于单体的化学性质和聚合物主链的稳定性。这些大分子主要通过聚合或缩聚反应从石油基原料中制备，生成高度稳定的碳-碳（C-C）或杂原子键（Kumari等人，2023年）。这种稳定性是它们工业成功的关键，也是它们在环境中持久存在的原因。

真菌塑料生物降解的关键因素和分析方法

真菌介导的塑料生物降解是聚合物物理化学性质、环境条件和真菌酶活性之间复杂相互作用的结果，同时还需要使用分析方法来量化这些过程。理解影响降解的因素和用于评估的方法对于获得可靠、机制性和可比较的见解至关重要。

参与塑料生物降解的关键研究和真菌种类概述

过去二十年里，关于真菌介导的塑料生物降解的研究显著增加，反映了全球应对持续塑料污染的紧迫性。早期研究证明了真菌能够定殖并部分降解合成聚合物，为酶介导的解聚和矿化机制研究奠定了基础（Bautista-Zamudio等人，2023年；Okal等人，2023年）。

最近的研究发现了多种真菌分类群

真菌介导的塑料生物降解机制

真菌介导的塑料生物降解是一个多步骤、分层次的过程，涉及细胞外酶活性、分子吸收和细胞内代谢，最终将聚合物转化为二氧化碳（CO?）、水（H?O）和真菌生物量。这一过程分为四个相互关联的阶段：生物降解、生物破碎、同化和矿化（Lv等人，2024年）（图2）。

真菌降解中的生化和分子过程

真菌介导的塑料生物降解依赖于复杂的生化、分子和生态过程，使真菌能够分解传统和可生物降解的聚合物。这些机制主要由特定酶的分泌、分子信号系统的调节以及适应底物组成和环境条件的动态代谢反应驱动（Dinakarkumar等人，2024年；Jahanshahi等人，2025年）。

未来方向

真菌介导的塑料生物降解在解决全球塑料污染方面具有巨大潜力。然而，该领域仍面临重大的实际、技术和社会经济障碍，限制了实验室发现向可扩展应用的转化（Okal等人，2023年）。未来的进展将取决于通过跨学科创新来解决这些限制，结合分子生物学、材料科学、环境工程和政策（图3）。

展望

推进真菌介导的塑料生物降解需要创新和现实性。必须认真考虑效率、可扩展性、经济可行性和生物安全性。一个整合微生物学、材料科学、工程和政策的多学科方法对于将实验室发现转化为工业和环境应用至关重要。然而，实现这种整合需要一个统一的评估框架，能够对真菌分类群、酶等进行排序。

结论

真菌介导的塑料生物降解为缓解日益严重的全球塑料污染危机提供了一条有前景和可持续的途径。真菌拥有多样的酶系统，能够降解传统和可生物降解的聚合物，体现了它们显著的代谢多样性和生态适应性。然而，尽管取得了显著进展，仍存在重大的科学和技术障碍：降解速率缓慢，酶活性在某些条件下往往不稳定。

CRediT作者贡献声明

Randa Harrat：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、验证、数据管理、概念化。Aurélie Philippe：验证、数据管理。Emmanuel Coton：撰写——综述与编辑、验证。Ghania Bourzama：撰写——综述与编辑、验证、概念化。Ga?tan Burgaud：撰写——综述与编辑、验证、数据管理、概念化。

资金来源

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或可能影响本文工作的个人关系。

致谢

Ga.B和EC感谢INTERREG ATLANTIC项目下的PLAST4H2 EAPA 0018/2022项目的资助。