开发可生物降解聚合物对于应对全球可持续性挑战（如塑料污染、微塑料积累和合成材料的环境持久性）至关重要。随着社会向循环性和基于生物的材料系统转变，迫切需要新的工具来评估聚合物的生物降解性，以指导创新、确保合规性并加速材料发现。
过去十年中，人们在理解天然和合成聚合物的环境命运方面取得了显著进展。聚己内酯（PCL）被广泛认为是一种可生物降解的聚酯，大量研究表明其在土壤、堆肥和水环境中能快速矿化，这得益于其易于被酶分解的特性以及微生物对其的适应性。1, 2, 3, 4 相比之下，聚乳酸（PLA）虽然来源于可再生资源，但其降解速率受温度、湿度和微生物群落的影响很大。5, 6 聚丁酸己二酸酯-对苯二甲酸酯（PBAT）是一种商业上可堆肥的共聚酯，在水或常温条件下通常降解较慢，这可能表明其降解受到表面限制。7, 8
由于淀粉和纤维素的酶促分解途径已被充分研究，它们仍然是生物降解性的基准材料。淀粉通常能被多种微生物快速水解并吸收，9 而纤维素则需要形成生物膜以及内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶的协同作用。10, 11 另一方面，低密度聚乙烯（LDPE）在大多数环境中难以降解，尽管经过数十年的研究，标准条件下的微生物降解仍然可以忽略不计。12, 13
近期文献强调了自然环境中聚合物降解的复杂性，物理因素（如紫外线、pH值、湿度）和化学因素（如氧气、臭氧）与微生物群落相互作用，影响降解动力学。14, 15, 16, 17 Silva等人概述了聚合物降解的连续阶段——生物膜形成、酶促断裂和矿化，强调了环境和聚合物特异性因素对每个阶段的影响。14 García-Depraect等人展示了生物塑料在有氧和无氧条件下的降解情况随聚合物化学性质和粒径的变化而变化，影响了降解动力学和碳的命运。15 同样，Cucina等人比较了堆肥、土壤培养和厌氧消化的结果，发现不同生物基质和微生物群落会导致不同的结果。16 Zaborowska等人指出，标准化测试与实际生物废物进行工业堆肥时的有氧降解时间存在显著差异，提醒人们不要简单外推。17
鉴于这种复杂性，需要机制性工具来解析微生物-聚合物相互作用，尤其是在生物降解的早期阶段。最近的研究探索了微生物群落分析、同位素追踪和代谢组学方法来捕捉微生物对聚合物的反应。18, 19, 20 然而，这些方法往往劳动强度高，需要专用仪器，且不适合高通量筛选。
标准化的生物降解测试（如OECD 301或ASTM协议）通常在28天内监测二氧化碳的产生量或氧气消耗量。21 这些方法对监管分类有一定帮助，但难以深入了解微生物定植动态或代谢激活情况。此外，它们不适用于不溶性或低质量材料，因为这些材料无法通过重量或总碳（TOC）方法进行测量。
为了解决这些问题，我们提出了一种快速且具有机制信息性的方法来筛选聚合物的生物降解性。三磷酸腺苷（ATP）的产生量被广泛用作环境和废水系统中代谢活跃微生物生物量和细胞能量状态的快速指标。29, 32 由于ATP仅存在于活细胞中，并在代谢过程中迅速更新，因此时间分辨的ATP测量能够敏感地反映微生物活动和生长动态。通过随时间追踪ATP水平，可以监测微生物与聚合物底物的相互作用，包括微生物定植、适应和生物量积累的各个阶段，甚至在可测量的矿化发生之前。
该方法具有以下特点：
•能够检测到可测量矿化之前的早期微生物激活适用于不溶性和低溶解度的聚合物可应用于高通量（96孔）板格式采用快速荧光检测方法（约15分钟完成检测)与仅报告最终降解程度的矿化测试不同，ATP动态能够捕捉早期微生物激活和代谢投入，为聚合物-微生物相互作用提供了新的视角。
在本研究中，我们将ATP追踪方法应用于十种具有不同化学性质和生物降解特性的聚合物，包括生物基和合成聚酯、多糖、聚烯烃以及标准参考化合物。测试在类似OECD 301F的条件下进行，使用活性污泥接种，模拟实际环境暴露情况。我们的目标是：（1）根据已知的生物降解行为验证ATP检测方法的有效性；（2）根据微生物激活特征对聚合物进行分类；（3）通过微生物参与动力学探讨ATP动态如何反映潜在的生物降解机制。虽然我们将ATP结果与传统的二氧化碳测量方法进行比较，但我们的重点在于该方法作为材料设计筛选工具的价值，而不是替代基于矿化的监管测试。
