《Biotechnology Advances》：Biotechnology-enabled plastic valorization across enzymatic, microbial, and hybrid conversion systems: A review
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塑料生物价值化系统框架整合酶解、微生物同化、昆虫平台及混合催化，量化显示聚酯接近闭环回收，聚烯烃仍依赖氧化激活。原料复杂性要求解毒、模块化处理及碳高效整合，混合系统权衡能耗与分离难度。技术发展聚焦酶工程、合成菌群与反应器设计，需解决聚烯烃激活、规模化接口及经济性对齐问题，定位为可编程碳管理策略。
Sameh S. Ali | Rania Al-Tohamy | Haixin Jiao | Jianzhong Sun
生物燃料研究所，环境与安全工程学院，江苏大学，镇江 212013，中国
摘要
塑料的增值转化正从以处置为导向的方法转向利用生物技术实现的碳保留转化途径。酶发现、蛋白质工程、微生物代谢和混合催化加工方面的进展扩大了可选择性转化和升级为特定化学品和材料的聚合物范围。然而，术语不一致、原料多样性、添加剂干扰以及缺乏标准化的性能指标继续模糊了降解与碳保留转化之间的区别。本文提出了一个基于生物技术的塑料增值转化系统框架，该框架整合了酶解聚合作用、微生物吸收、昆虫来源的发现平台以及混合生物催化和热化学加工技术。定量基准测试显示，在聚酯解聚（几乎可以实现闭环单体回收）与聚烯烃转化之间存在日益扩大的性能差异，后者仍主要依赖于氧化激活和部分碳路径转换。特别是含有染料的塑料，进一步凸显了解毒、模块化加工和高效碳整合的关键需求。在不同尺度上，有效的塑料转化问题更多体现在可控的碳路径转换上，而非聚合物的分解。混合系统提高了底物的可利用性，但同时也带来了能源需求、分离过程和操作复杂性的权衡。合成 consortia、酶工程和反应器设计的同步进展使得分布式代谢平台成为可能，能够将异质废物流转化为生物产品，尽管在聚烯烃活化、可扩展反应器接口以及与现有废物基础设施的技术经济对接方面仍存在挑战。通过将分子机制与工艺转化联系起来，本文将塑料生物技术定位为一种可编程的碳管理策略，并概述了从实验室解聚向工业塑料生物制造转变所需的研究重点。
引言
全球塑料年产量已超过4亿吨，并且持续增长，而只有少量废弃塑料被回收成具有同等价值的材料（Meneses等人，2022年）。据估计，不到10%的塑料废物得到了有效回收，大部分被填埋、焚烧或泄漏到环境中（Geyer等人，2017年；Vollmer等人，2020年；Abahussain和Nasr，2025年）。传统的废物管理策略主要旨在减轻积累，而不是保留其中的碳价值。机械回收虽然保留了聚合物结构，但由于热降解、添加剂残留和分子量损失，材料性能逐渐下降，导致其应用价值降低（Jeswani等人，2021年；Vanaraj等人，2025年）。焚烧可以回收能源，但会将大部分聚合物碳转化为温室气体；而化学回收虽然扩大了原料的适用范围，但常常将碳重新分配到燃料或混合中间体中，这些中间体并不完全支持循环材料流动（Ellis等人，2021年；Alrazen等人，2025年）。这些限制凸显了塑料经济中的一个核心挑战：如何在处理废物的同时保留碳价值。
这一挑战促使人们关注塑料的增值转化，即通过特定途径将聚合物碳转化为化学产品、材料或生物产品。在这方面，生物技术提供了一种基于选择性催化、代谢灵活性和在相对温和条件下操作的互补转化方式。酶解聚合作用在处理含有酯基的聚合物（如聚对苯二甲酸乙二醇酯PET）方面表现出特别强的性能（Fukushima，2025年）。工程化的聚酯水解酶能够在优化条件下实现接近定量级的PET解聚，单体回收率通常超过90%，反应器产率达到每升每小时几克（Tournier等人，2020年；Sonnendecker等人，2022年）。这些催化进展与代谢工程方法相结合，将释放的中间体转化为多羟基烷酸、有机酸和芳香族平台化学品，据报道的碳转化效率通常在30%到60%之间，具体取决于路径设计和培养策略（Sadler和Wallace，2021年；Gao等人，2022年）。这些发展使塑料废物重新被视为生物制造的潜在原料，而不再是简单的废弃物。
然而，不同聚合物类别和实际废物组成之间的性能仍存在差异。像聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）这样的碳氢化合物聚合物由于其化学稳定的碳-碳骨架、疏水表面和半结晶形态而表现出内在的难降解性，这限制了酶的作用，并减缓了生物转化速度（Shan等人，2026年）。同时，添加剂、染料和多层结构会对酶的稳定性、微生物代谢和反应器操作产生抑制作用，从而增加了从模型底物到实际废物流的转化复杂性（Hahladakis等人，2018年；Bergeson等人，2024年）。因此，仅基于质量损失或分子量减少的生物降解指标往往无法准确反映系统是否实现了真正的增值转化，或者仅仅是促进了碎片化和碳的散失。
这些限制促使人们从单一技术视角转向结合酶催化、微生物吸收和热化学激活的集成转化架构。混合系统可以提高底物的可利用性，扩大聚合物的应用范围，并改善碳的转化路径，但也带来了能源需求、分离过程和操作复杂性的权衡（Jeswani等人，2021年；Hermanns等人，2023年）。新兴的发现平台进一步拓宽了技术视野。宏基因组筛选和昆虫相关微生物组揭示了能够催化碳氢化合物聚合物转化的氧化化学反应，而合成微生物 consortia 则实现了塑料衍生中间体的分布式代谢处理（Roell等人，2019年；Sanluis-Verdes等人，2022年）。这些发展表明，可扩展的塑料生物转化将依赖于系统的协调设计，而不仅仅是单一的催化突破。
尽管该领域发展迅速，但文献中仍存在概念上的碎片化现象。许多研究将酶解降解、微生物升级和热化学回收视为相对独立的技术领域，这限制了性能指标的直接比较，也模糊了不同方法之间的转化可行性（Bergeson等人，2024年；Pardo等人，2025年；Wei和Bornscheuer，2025年）。诸如产率、碳回收率、工艺稳健性和技术成熟度等定量指标并未得到一致的报告，而包括含染料塑料在内的复杂废物场景在工业上的重要性却相对被忽视（Ali等人，2025a；Vanaraj等人，2025年）。因此，需要一个系统层面的框架，将分子机制、碳命运和工艺整合联系起来，以区分降解与碳保留转化，并指导向可部署的塑料生物制造策略的研究方向。
本文提出了一个塑料增值转化的系统生物技术框架，将分子解聚机制与工艺转化和碳管理结果联系起来。通过整合酶解聚合作用、微生物吸收、昆虫来源的发现平台以及混合催化加工，本文评估了塑料碳如何被转化为特定的化学和材料产品，而不是通过碎片化或能量回收的方式流失。特别强调了定量性能指标、反应器和集成限制以及决定可扩展性的技术经济因素。因此，本文的目标不仅是总结催化技术的进展，还要确定将塑料生物技术从实验室降解研究转化为可部署的循环制造平台所需的设计原则。
塑料增值转化的概念框架
生物技术支持的塑料转化涵盖了从聚合物分解到闭环材料回收的各种结果，明确区分降解、回收和真正增值对于评估技术进步和工业相关性至关重要。塑料转化过程经常使用重叠的术语进行描述，这可能掩盖了碳保留、产品价值和系统可持续性之间的差异（Vidal等人）
生物塑料转化的分子和系统层面障碍
生物技术驱动的塑料增值转化效率受到合成聚合物的分子难降解性和实际废物流的系统层面限制的影响。这些限制涉及多个层面，从聚合物链结构和表面物理化学性质到原料多样性、质量传递和微生物代谢。理解这些障碍对于解释报道的生物降解性能至关重要
酶解聚合作用平台
酶解聚合作用是生物技术将固体塑料聚合物转化为适合微生物吸收和后续增值转化的可溶性中间体的核心催化环节。与整个生物体的降解不同，酶驱动的系统能够精确控制反应路径、底物特异性和产品形成，使得塑料转化可以作为一个模块化的催化过程进行设计。结构生物学和蛋白质工程的进展
微生物和 consortia 驱动的吸收
在酶解聚合作用之后，塑料衍生的寡聚物和单体需要被运输、代谢并重新定向进入细胞生物合成，以实现碳的增值转化。因此，微生物吸收代表了聚合物碳从化学中间体转化为生物量、能量载体和增值产品的阶段。与单一生物体的降解模型不同，实际的塑料生物转化通常涉及多种微生物群落
昆虫相关微生物组作为发现平台
昆虫相关微生物组是经过生物进化形成的系统，在这些系统中，机械处理、酶活性和微生物代谢共同作用，能够转化难降解的基底，包括合成塑料。与工程化的生物反应器不同，昆虫的消化系统提供了具有分隔pH梯度、长时间底物保留和紧密耦合的宿主-微生物相互作用的动态微环境，有助于转化难降解的基底
混合生物催化和热化学整合
混合塑料转化策略结合了热化学激活与酶催化和微生物升级，以克服聚合物的难降解性，同时保留了生物系统的选择性和碳路径转换的优势。
含染料塑料作为复杂废物转化的模型
含染料塑料代表了化学性质复杂的废物流，其中聚合物的难降解性、添加剂干扰和催化条件相互作用，使其成为评估集成塑料增值转化策略稳健性的有用案例。
塑料增值转化技术的系统转化
从实验室示范到可部署的塑料增值转化技术的转化依赖于将催化和生物性能转化为系统层面的结果，这些结果包括生产力、碳效率、操作稳定性和经济可行性。虽然酶发现、微生物工程和混合激活方面的进展扩大了塑料转化的技术范围，但工业相关性最终取决于这些方法是否能够持续
研究空白和未来方向
尽管在酶解聚合作用、微生物吸收和混合激活策略方面取得了快速进展，但由于不同聚合物类别之间的性能差异、对实际废物复杂性的耐受性有限以及与工业系统的整合不完善，塑料增值转化仍受到限制。该领域已经超越了某些聚合物的概念验证阶段，但要实现可扩展的循环碳路径转化，还需要在酶发现、反应器工程和原料处理等方面取得协调进展
结论
生物技术正在将塑料废物重新定义为一种分布式碳资源，而非单纯的环境负担。酶工程、代谢设计和混合催化整合的进步表明，选择性解聚和合成聚合物的升级在多个材料类别中都是技术上可行的。然而，文献一致表明，催化能力本身并不能决定转化结果。碳的路径转换、原料的复杂性、反应器设计等因素
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（NSFC）通过“国际优秀青年科学家研究基金（RFIS-II）项目”（项目编号：W2532040）的支持。此外，还得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3403600）的资助。
