《Nature》：Enzyme-embedded polyesters for accelerated biodegradation in the deep sea
编辑推荐：
摘要：海洋中持久性塑料的累积正引发广泛的环境问题[1-3]。部分市售可堆肥塑料[4-7]虽旨在解决上述问题，但仅在工业堆肥条件下可高效降解；然而，其在海洋环境（尤其是深海）中的降解仍十分有限[8-10]。本研究表明，将酶通过热嵌入方式引入可堆肥聚酯（聚丁二酸丁
摘要：海洋中持久性塑料的累积正引发广泛的环境问题[1-3]。部分市售可堆肥塑料[4-7]虽旨在解决上述问题，但仅在工业堆肥条件下可高效降解；然而，其在海洋环境（尤其是深海）中的降解仍十分有限[8-10]。本研究表明，将酶通过热嵌入方式引入可堆肥聚酯（聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚（丁二酸丁二醇酯-co-己二酸丁二醇酯）（PBSA）、聚ε-己内酯（PCL）及聚（己二酸丁二醇酯-co-对苯二甲酸丁二醇酯）（PBAT））中，可显著加速其在沿岸及深海环境（水深2–6 m至5,503 m）中的降解。酶嵌入型聚酯在757 m深海处5个月内实现近完全降解。此外，在5,503 m深海海底的极端条件下，酶嵌入型聚酯也观察到中等程度的生物降解。在沿岸海水中，嵌入痕量（0.1 wt%）酶的薄膜发生快速降解。酶嵌入型聚酯的力学性能与未嵌入酶的聚酯相近。化学分析确认了低分子量降解产物的形成，生化需氧量（BOD）测定结果支持酶嵌入型聚酯的矿化作用。酶嵌入策略使可堆肥聚酯在海洋环境中的降解能力得到增强，为海洋塑料污染提供了潜在解决方案。
论文解读：酶嵌入型聚酯在深海环境中的加速生物降解研究
一、研究背景与科学问题
塑料在现代生活中不可或缺，但其在海洋环境中的累积已成为全球性环境问题。可生物降解塑料被视为有前景的缓解策略，然而市售可生物降解塑料大多为可堆肥型，其降解条件针对工业堆肥环境（高温、高微生物活性及高湿度）优化。在海洋环境尤其是深海中，低温及缺乏能降解这些塑料的活性微生物，严重限制了聚酯的降解，引发对其环境持久性的担忧。尽管已有研究证明将特定酶直接嵌入聚合物可增强其生物降解，但这些演示仅限于实验室或封闭系统培养，酶嵌入型聚酯能否在自然海洋环境（尤其是深海）中实现高效原位降解仍属未知。同时，实际应用要求在增强生物降解性的同时不损害材料使用所需的力学性能。
二、研究内容与主要发现
研究人员将南极假丝酵母脂肪酶B（CaLB）或特异腐质霉角质酶（HiC）通过热嵌入方式引入多种可堆肥聚酯薄膜及微珠（包括PBS、PBSA、PCL和PBAT），显著加速了其在沿岸及深海环境（水深2–6 m至5,503 m）中的降解。CaLB和HiC因对脂肪族及芳香-脂肪族聚酯具有广泛水解活性而被选用，其冻干形式的高热稳定性使其在热嵌入过程中保持催化活性。酶嵌入型聚酯在757 m深海处5个月内实现近完全降解；在5,503 m深海海底极端条件下也观察到中等程度生物降解。沿岸海水中，嵌入0.1 wt%痕量酶的薄膜发生快速降解。酶嵌入型聚酯的力学性能与未嵌入酶的聚酯相近。化学分析确认低分子量降解产物形成，BOD测定支持其矿化作用。该研究发表于《Nature》。
三、关键技术方法
研究人员采用双螺杆挤出机在90–130 °C温度下进行熔融挤出，将冻干酶粉嵌入聚酯基体中，加工时间不超过5分钟。挤出物经两条路径处理：压缩成型制备酶嵌入薄膜（100–300 μm厚），或在硅油中均质化制备酶嵌入微珠（直径20–300 μm）。样品密封于不同孔径的聚乙烯网中，放置于样品舱内。深海部署与回收由载人潜水器（HOV）"深海6500"（Shinkai 6500）及遥控潜水器（ROV）完成。研究涵盖一个沿岸站点（PJM，2–6 m）、三个半深海站点（BMS 757 m、BHT 855 m、BMJ 1,292 m）及一个深渊站点（AKR 5,503 m）。此外，研究人员利用高压容器进行实验室压力实验（0.1、10、25 MPa），采用16S rRNA基因扩增子测序分析塑料圈微生物群落，并通过BOD实验评估矿化程度。
四、研究结果
酶嵌入型聚酯设计： 研究人员基于冻干CaLB和HiC的热稳定性，通过双螺杆挤出在90–130 °C下将酶嵌入聚合物基体，制备了薄膜和微珠两种形态。沿岸海水部署酶负载量为0.1 wt%，深海部署增至3 wt%。
不同深度薄膜降解： 在757–5,503 m多个深海海底部署18个月后，未嵌入酶的PBS、PBSA、PCL和PBAT薄膜质量损失仅0.4–12.9%，几乎无降解迹象。嵌入3 wt% CaLB后，BMS站点（757 m）PBSA和PCL薄膜质量损失分别达57.3%和99.0%；AKR站点（5,503 m）PBSA和PCL薄膜质量损失分别为30.5%和7.7%，显著高于未嵌入酶对照组。实验室高压实验证实CaLB在25 MPa下仍具活性，但降解速率随压力增加而降低。延长部署时间（5个月至18个月）使PCL薄膜质量损失从39.7%增至99.0%，表明嵌入酶在长期深海浸泡中持续保持活性。
酶性能比较： BHT深海站点（855 m）同步部署比较显示，嵌入3 wt% HiC的PBS、PBSA和PCL薄膜质量损失显著大于对应CaLB嵌入组，验证了HiC在深海条件下对这类聚酯具有更高水解活性。PBAT嵌入3 wt% HiC后质量损失达9.8%。HiC的催化位点位于浅层表面暴露区域，使其活性位点更易接触底物。
深海薄膜降解： BMS站点（757 m）5个月详细研究显示，嵌入3 wt% HiC的PBS、PBSA和PCL薄膜质量损失接近100%，PBS降解速率达97.0 ± 3.6 μg cm-2 day-1，较未嵌入酶PBS（0.9 ± 0.1 μg cm-2 day-1）提高逾百倍。剩余薄膜保持连续膜状形态，分子量未变化，表明降解主要发生在嵌入酶周围区域，低分子量中间产物释放至海水中。PBAT因含芳香族对苯二甲酸单元而更具酶解抗性，5个月质量损失12.1%，但仍显著高于未嵌入酶对照（1.1%）。嵌入0.1 wt%酶对薄膜拉伸强度几乎无影响，3 wt%酶负载虽降低力学性能但仍在实用范围内。
深海微珠降解： 嵌入3 wt% HiC的PBS微珠表面形成大量孔洞，PBSA微珠完全降解或碎裂至小于55 μm网孔尺寸，PBAT微珠也呈现明显孔隙，证明酶嵌入策略对微塑料尺寸颗粒同样有效。
降解与微生物响应： HPLC分析确认酶嵌入PBAT薄膜在缓冲液中产生水溶性低分子量水解产物，薄膜质量损失与产物形成理论值高度吻合。16S rRNA测序显示，BMS深海海底11个月后，Rhodobacterales（红杆菌目）构成表面微生物群落主要组分。Burkholderiales（伯克霍尔德氏菌目）在HiC嵌入PBS和PBSA薄膜表面相对丰度随酶负载量增加而上升，可能参与聚酯水解产物的代谢。BOD实验表明，嵌入0.1 wt% HiC的PBS薄膜在沿岸海水中1个月内实现50.9%理论氧消耗，与纤维素标准（59.3%）相当，远高于未嵌入酶PBS（4.7%）。
沿岸海水降解： PJM沿岸站点（2–6 m）1个月部署显示，嵌入0.1 wt% HiC的PBS、PBSA和PCL薄膜质量损失分别达27.4%、100%和85.5%；PBAT嵌入0.5 wt% HiC后降解11.3%。酶嵌入微珠在沿岸海水中2周内即形成可见孔隙和裂纹。BOD/理论需氧量（THOD）值达到或超过纤维素标准，表明酶嵌入聚酯降解产物可被海水中微生物有氧代谢为CO2。
五、讨论与结论
酶嵌入技术可扩展至其他聚合物-酶组合，兼容多种可堆肥塑料和酶。酶负载量可根据环境条件调整：沿岸海水0.1 wt%即足够，深海环境可能需要3 wt%。该策略还可拓展至渔线、渔网等材料形态，并可能加速堆肥过程。尽管低酶负载已实现显著降解增强，酶嵌入成本及可堆肥聚酯相对传统塑料的高成本仍是规模化应用的主要挑战。HiC和CaLB已由多家供应商商业化生产，酶工程改造、纳米分散酶策略、聚乙二醇修饰（PEG化）、氮气氛围加工及酶固定化等方法可进一步降低所需酶剂量。研究结论指出，酶嵌入策略作为材料层面的方法，可在不损害力学性能的前提下增强可堆肥聚酯在多种海洋环境中的降解能力，有望扩大可缓解海洋持久性塑料累积问题的生物降解材料范围。
