《Journal of Hazardous Materials》：Enhanced Degradation of Microplastics by Laccase under Ambient Conditions: Analysis of underlying Molecular Mechanisms
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本研究系统探究了漆酶对三类微塑料（PE、PET、PLA）的降解机制，结合多尺度表征与分子动力学模拟，揭示了氧化断裂和结构转变的分子机理，发现ROS生成及电子转移驱动降解，其中PLA降解效率最高，并评估了环境因子（如天然有机质和盐度）的影响。
丁瑞|徐林涵|单晓玲|邱欣然|丁玲|张斌|梁旭军|朱玲燕|郭旭涛
中国陕西省杨凌市西北农林科技大学自然资源与环境学院，邮编712100
摘要
由于微塑料（MPs）的广泛污染及其固有的抗生物降解性，它们对环境构成了重大挑战。酶驱动的生物降解已成为一种有前景且环保的减轻微塑料污染的方法，但其背后的分子机制仍不甚明了。本研究系统地探讨了漆酶介导的脂肪族（聚乙烯，PE）、芳香族（聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET）和可生物降解（聚乳酸，PLA）微塑料的降解过程，旨在揭示这些过程中的分子级机制。结果表明，漆酶通过聚合物链断裂和官能团转化将这些微塑料选择性地降解为低分子量产物。值得注意的是，PLA的降解效率最高，这体现在其表面发生了显著变化且分子量显著降低。活性氧（ROS）的生成和电子转移过程促进了聚合物链的断裂和官能团的演变。分子动力学模拟揭示了漆酶与不同微塑料之间的不同结合模式：与PE结合主要依赖于疏水性相互作用，而与PET和PLA结合时则发挥了氢键和静电力的关键作用。这些发现为漆酶介导的微塑料降解提供了分子层面的见解，并为开发可持续的酶促策略以应对塑料污染提供了宝贵的指导。
引言
塑料污染是一个普遍且日益严重的环境危机[1]。2016年全球塑料废物产生量估计为1900万至2300万吨，预计到2030年将激增至5300万吨[2]、[3]。其中超过80%的塑料直接排放到环境中，由于塑料本身的抗自然分解性，对环境造成了严重污染。塑料污染中特别令人担忧的是微塑料（MPs，<5?毫米），它们已普遍存在于环境中，由于其持久性和快速扩散性，导致了严重的全球污染[4]、[5]。这些微塑料可通过生物体摄入进入生态系统和食物链，可能引发一系列生物学和生理缺陷[6]。此外，微塑料还能作为有害污染物的载体，从而加剧生态风险并威胁生态系统的稳定性。更糟糕的是，微塑料的微小尺寸和广泛的环境分布使得手动清除它们变得极其困难[7]。因此，解决微塑料污染问题对于实现环境可持续性至关重要。
传统的机械破碎、光氧化和热降解方法在降解效果、能源消耗和环境影响方面仍存在明显不足。因此，它们往往无法实现所谓的“绿色降解”[8]、[9]。为此，人们正致力于开发更高效、更环保的技术。近年来，针对微塑料的生物催化降解策略受到了广泛关注，因为它们具有温和的反应条件、高效率和底物特异性。近期研究发现了某些微生物酶，如来自Cryptosporangium aurantiacum的hydrolase CaPETase和谷胱甘肽S-转移酶[10]，这些酶在温和条件下对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）具有显著的降解活性[11]、[12]、[13]。同样，具有固有可生物降解性的热塑性脂肪族聚酯聚乳酸（PLA）也可以被脂肪酶和酯酶等酶降解，Amycolatopsis HT-32在14天内实现了60%的降解率[14]。对于聚乙烯（PE），某些芽孢杆菌菌株在40天内使PE薄膜的重量减少了43%[15]。然而，这些酶通常只能针对单一类型的微塑料，从而限制了它们在复杂环境介质中的应用。此外，目前缺乏关于酶-底物相互作用的分子机制理解，这阻碍了多功能生物催化剂的合理设计。
鉴于聚合物解聚和降解的速率决定性，酶攻击和水解常被用来优化微塑料的分解途径[16]。漆酶是一种具有高氧化还原电位的多功能氧化酶，在降解多种环境污染物方面表现出显著的催化效率[17]、[18]。该酶通过分子氧和活性氧（ROS）氧化芳香族化合物、酚类物质和共轭体系[19]、[20]，这凸显了其作为微塑料降解生物催化剂的潜力。最新研究进一步表明，主要由羟基自由基（•OH）驱动的微生物漆酶介导的自由基化学偶联催化显著提高了PE的降解效率[21]。尽管漆酶在微塑料降解方面具有巨大潜力，但其实际应用仍受到多种技术和操作挑战的阻碍。目前仍缺乏对漆酶介导的微塑料降解分子机制的全面理解，尤其是在底物识别、键断裂途径和中间产物形成方面，这限制了其实际应用。
在此，我们选择了三种代表性的聚合物——脂肪族PE、芳香族聚酯PET和可生物降解的聚酯PLA——通过多尺度表征和分子动力学模拟来系统研究它们被真菌漆酶生物转化的潜力。具体而言，本研究旨在：（1）阐明微塑料和溶解有机物质（DOM）在降解过程中的物理化学性质动态演变；（2）量化ROS和电子转移过程在推动聚合物分解中的作用；（3）揭示漆酶介导的微塑料生物降解的分子机制和潜在途径。通过额外纳入天然有机物和盐度作为环境相关因素，本研究进一步评估了实际因素如何影响降解途径以及转化产物的潜在环境命运。
化学物质和材料
PE、PET和PLA颗粒（直径：75?微米）购自中国东莞张木头瑞祥聚合物材料有限公司。来自Trametes versicolor的真菌漆酶购自Sigma-Aldrich（新加坡）。本研究使用的其他试剂详见补充信息（文本S1）。
微塑料的表征
微塑料的形态通过场发射扫描电子显微镜（FESEM，NanoSEM 450，FEI）进行表征。表面化学成分通过X射线光电子能谱测定
表面形态变化
漆酶在污染物降解中的催化效率受多种因素影响，其中温度、pH值和漆酶剂量最为关键[29]。在模拟的生理条件下（pH 7.0、40?°C和1.5?微摩尔/毫升漆酶），观察到了最佳的降解效果（见图S1），降解过程中漆酶活性的时间变化曲线见图S2。SEM观察显示，经过漆酶处理的微塑料表面粗糙度显著增加
结论
本研究通过多尺度表征和分子动力学模拟，阐明了漆酶介导的PE、PET和PLA的降解机制。结果表明，漆酶催化了聚合物链的氧化断裂和结构变化，导致结晶度降低和降解敏感性增加。活性氧（主要是H2O2、•OH和O2•?）的生成以及电子转移被认为是降解的关键驱动因素，其中PLA的降解效果最为显著
环境影响
微塑料（MPs）是持久性的环境污染物，尽管酶驱动的生物降解是一种有前景的解决方案，但其分子机制仍不明确。本研究选择了PE、PET和PLA来探讨Trametes versicolor漆酶介导的微塑料降解。值得注意的是，PLA的降解效率最高，其表面发生了显著变化且分子量显著降低。活性氧（ROS）的生成和电子转移过程在降解过程中发挥了重要作用
CRediT作者贡献声明
丁瑞：撰写——初稿、方法论、实验设计、数据分析、概念构建。单晓玲：数据分析。徐林涵：数据分析。郭旭涛：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、资金申请、数据分析、概念构建。朱玲燕：撰写——审稿与编辑、验证、监督、概念构建。丁玲：方法论、数据分析。邱欣然：数据分析。梁旭军：数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42377233和42577376）、国家重点研发计划（项目编号2024YFC3713900）、陕西省重点研发计划（项目编号2025NC-YBXM-258）以及陕西省自然科学基础研究计划（项目编号2025JC-QYCX-031）的财政支持。
