综述：丝状真菌对微塑料的生物降解：一种聚合物修复的新方法

《Microplastics》：Biodegradation of Microplastics by Filamentous Fungi: A Novel Approach for Polymer Remediation

　　

微塑料污染因其环境持久性及跨生态系统的广泛影响，已成为备受关注的重大环境问题。这类粒径为1 μm至5 mm的塑料颗粒源自大尺寸塑料废弃物或工业源，在不同生境中不断累积，威胁生物多样性与人类健康。微塑料难以被自然环境降解，给生态可持续性与废弃物管理策略均带来挑战。尽管大量研究已探索微生物降解途径，但现有工作主要聚焦于细菌，丝状真菌的作用相对未被充分挖掘，这构成了显著的研究空白——因为真菌可分泌漆酶(laccases)、过氧化物酶(peroxidases)、酯酶(esterases)等多种胞外酶，在合成聚合物的分解中发挥关键作用。这些酶通过靶向聚合物链提升其易被后续微生物降解的程度，驱动微塑料的解聚。然而，其潜在酶学机制及在微塑料修复中的有效性仍未得到充分表征。本文批判性综述了丝状真菌在微塑料生物降解中的潜力，重点关注其氧化与水解酶系、生物表面活性剂(biosurfactant)合成，以及吸附与矿化机制。本综述的创新性在于整合了真菌驱动解聚路径的最新机制见解，并将其与基因工程、生物工艺放大及监管视角的进展相结合，这些维度在既往综述中鲜少被共同探讨。本文明确了当前在环境适用性、酶可及性及标准化方案缺失等方面的局限，并提出通过酶固定化、微生物群落设计及合成生物学方法克服这些挑战的策略。通过弥补上述空白，丝状真菌有望推动塑料污染治理可持续策略的开发，并支撑聚合物生物降解领域的循环经济路径。

1. 1.
   引言
   微塑料污染因在生态系统中的广泛分布与持久性，已成为最紧迫的环境问题之一。这类粒径1 μm至5 mm的颗粒源自大尺寸塑料废弃物的破碎，或化妆品与个人护理产品中添加的微珠等初级来源。进入环境后，微塑料难以被自然降解过程分解，在土壤、河流、海洋乃至生物体内持续累积。微塑料源于大尺寸塑料材料的碎片化，这意味着其环境持久性直接与合成聚合物固有的抗生物降解特性相关。因此，理解微生物降解人工聚合物的能力，不仅对大尺寸塑料废弃物处理至关重要，也是预防自然与人工环境中微塑料持续形成与累积的基础。在此背景下，微塑料去除可被视为微生物聚合物降解的下游应用——作用于大块塑料的相同酶学机制同样负责转化微塑料颗粒。研究表明，微塑料的存在对生物多样性、人类健康与生态平衡构成显著威胁，其吸附化学污染物并被水生生物摄食的特性进一步加剧了风险。全球尺度上，微塑料污染的规模已达到警戒水平，据估计每年有超过1100万公吨塑料废弃物进入水生环境，若当前生产与废弃物管理模式保持不变，这一数字到2040年可能增至三倍。微塑料已在所有主要生态系统中被检出，从深海、极地到山地土壤与大气尘埃。近期荟萃分析显示，令人担忧比例的海洋物种在其生命周期的某个阶段会接触到塑料碎片，且微塑料已在饮用水、食盐甚至人类血液与胎盘中被发现，凸显了暴露的全球性维度。经济上，塑料污染每年给海洋产业（尤其是渔业与旅游业）造成超过130亿美元的损失。这些发现凸显了微塑料污染的跨境属性，以及开发能在行星尺度降低其持久性的生物技术解决方案的迫切需求。在此背景下，寻找涵盖大尺寸塑料与微塑料的可持续治理策略受到广泛关注，其中生物降解因可实现聚合物完全矿化为无害终产物、能耗低且适用于环境相关条件，被视为一种补充路径。该过程依赖能够代谢塑料聚合物并将其分解为二氧化碳、水与生物质等简单分子的微生物。然而，在自然环境中直接应用微生物生物降解去除微塑料仍具挑战性，因为降解速率通常缓慢，且强烈依赖于环境条件、酶可及性与聚合物特性。因此，目前生物降解被认为在受控系统中更具可行性，或作为一种预防性策略，在塑料材料破碎为微塑料前减少其累积与持久性。微生物对人工聚合物的降解是从源头减少塑料累积的关键策略，可限制次生微塑料的形成，并在受控或有利条件下潜在促进微塑料颗粒的转化。不过，其有效性取决于专用微生物的鉴定与开发，以及对潜在降解机制的深入理解。在各类微生物中，丝状真菌在塑料降解上相较于细菌展现出独特优势，其代谢多样性与在自然及人为环境中的广泛分布使其潜力显著。真菌降解复杂人工聚合物的能力与处理大尺寸塑料及去除微塑料均密切相关，因为其酶系可在不同尺度作用于聚合物表面，从大块塑料材料到破碎的微塑料颗粒。真菌以分泌多种胞外酶著称，如漆酶、过氧化物酶、角质酶(cutinases)与酯酶，可降解木质素、纤维素及近年被证实的合成聚合物等难降解化合物。这些酶发挥协同作用，并能通过广泛的菌丝网络穿透固体底物。相比之下，细菌系统通常依赖单一酶机制且表面定植能力有限。例如，曲霉属(Aspergillus)、青霉属(Penicillium)与木霉属(Trichoderma)等类群已通过产生特定酶或与塑料颗粒直接相互作用，展现出显著的微塑料降解潜力，而细菌菌株通常需要长期适应或预处理才能达到类似效果。真菌菌丝还能为生物膜形成提供机械稳定性，促进其与疏水性聚合物表面的持续接触。这些生理与酶学特性使真菌成为针对复杂难降解聚合物的极具前景的生物催化剂，尤其是在细菌系统表现受限的场景中。此外，其易培养性与对工业条件的适应性进一步提升了其生物技术相关性。本综述旨在探讨丝状真菌在人工聚合物降解中的潜力，特别关注微塑料这一环境相关应用场景，聚焦涉及的机制、提升其活性的条件，以及规模化应用的挑战与局限。同时还将讨论这些研究中采用的分析工具，以及将这些生物整合到环境生物修复策略中的前景。与既往广泛探讨微生物降解或主要聚焦细菌系统的综述不同，本研究的创新性在于提供了针对真菌方法的靶向批判性综合，尤其关注酶学路径与环境兼容性。本综述限定范围为丝状真菌，未涵盖细菌降解、光降解或物理化学处理，以深化对真菌特异性机制与技术成熟度的分析。其新颖贡献在于整合了真菌对人工聚合物生物降解的最新文献，特别聚焦微塑料这一关键环境挑战，强调了实验室结果与环境实施之间的差距，并批判性评价了真菌策略在当前环境与监管约束下的现实可扩展性。
2. 2.
   方法
   本叙述性综述按三个步骤开展：执行检索、审阅摘要与全文、讨论结果。研究检索了PubMed、Scopus、Science Direct、Web of Science与Google Scholar数据库以识别相关研究，最终检索于2026年2月完成，纳入国际英文文章、在线报告与电子书籍。检索组合使用关键词“microplastics”与“filamentous fungi”，并搭配生物降解、修复、环境影响、生物质、吸附、水解酶与氧化酶、生物表面活性剂、矿化、微生物群落、挑战或监管等其他术语。完成检索后阅读摘要以确保其涉及目标主题，剔除所有重复文献，剩余文章的摘要经审阅以确认符合综述纳入标准。合格标准为分析微塑料与丝状真菌并结合上述其他术语的研究，最终对符合关注点的研究进行总结与整合以形成本叙述性综述。由于属于叙述性综述，无需在特定平台记录文献检索过程。
3. 3.
   微塑料：定义与环境影响
   微塑料是粒径1 μm至5 mm的塑料颗粒，被认为是陆地与水生环境中持久且普遍存在的污染物。其来源分为初级与次级两类：初级来源包括化妆品与个人护理产品（如面部磨砂膏与牙膏）中使用的微珠、工业制造用塑料颗粒，以及洗涤过程中释放的合成纤维，这些颗粒通过污水系统或不当处置直接进入环境；次级来源则是大尺寸塑料经紫外线照射、机械磨损与生物活动等环境因素作用破碎形成，例如塑料袋、渔网与汽车轮胎，这类破碎微塑料在形状与组成上表现出更高的异质性。微塑料由多种合成聚合物构成，常见例子包括聚乙烯(polyethylene, PE)、聚丙烯(polypropylene, PP)、聚苯乙烯(polystyrene, PS)、聚氨酯(polyurethane, PU)、聚酰胺（尼龙）、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)与聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)，广泛用于包装、纺织品、建筑材料与消费品。每种聚合物类型具有特定的理化特性，如密度、耐热性与化学性质，决定了其在环境中的降解行为。例如，常用于包装与一次性产品的PE和PP密度低于水，倾向于在水生环境中漂浮；而广泛用于瓶身与合成纺织品（聚酯织物）的PET因密度更高则倾向于沉降，纺织源微塑料中很大比例来自聚酯基材料，化学分类上属于PET。除聚合物外，微塑料还可能含有增塑剂、稳定剂与染料等化学添加剂，这些生产中添加的化合物会在塑料降解过程中浸出到环境中，加剧生态与人类健康风险。微塑料的持续累积引发了对其生态与毒理影响的严重关切，由于其抗降解特性，可在环境中存续数百年甚至数千年，分布于农业土壤、海洋沉积物到大气的所有生态系统。其在水生环境中的存在尤为令人担忧，因为河流与海洋是地表径流、排水系统与工业排放输送颗粒的汇聚点。微塑料会被鱼类、甲壳类与鸟类等生物误食，导致有毒物质在食物链中的生物累积与生物放大。摄食微塑料可导致消化道阻塞、摄食减少，严重时引发肠梗阻死亡。此外，微塑料可作为化学污染物与病原体的载体，吸附水中的农药、重金属与碳氢化合物，被生物摄食后这些污染物发生转移，放大生态与人类健康影响。微塑料最值得关注的毒理学风险之一是潜在的内分泌干扰效应，许多微塑料含有邻苯二甲酸酯与双酚A(bisphenol A, BPA)等添加剂，这类物质已知会干扰激素系统，扰乱正常激素调节，影响生殖、行为与代谢功能。在海洋生物中，这些干扰可导致生育力下降、生长速率改变甚至幼体发育失败，严重时可能造成物种种群下降。对人类而言，摄食受微塑料污染的食物会带来显著的内分泌干扰物暴露风险，可能产生长期健康影响。直接摄食微塑料还可引发生物体炎症，不可降解的微塑料在胃肠道与组织中累积，触发炎症反应。此外，微塑料的研磨性可造成细胞与组织损伤，导致坏死（非程序性细胞死亡）或凋亡（程序性细胞死亡）。这种炎症会影响免疫系统，使生物更易受感染与其他疾病侵袭。微塑料的持久性、广泛分布与环境相互作用使其成为亟需研究与干预的问题，深入理解其理化特性与来源对开发有效的缓解与修复策略至关重要。微塑料的环境归趋与可降解性深受其构成聚合物的内在理化性质影响，分子量、结晶度、官能团、交联度与疏水性等因素决定了这些材料与环境因子及微生物的相互作用方式。例如，PET等高结晶度聚合物因分子堆积致密而抵抗酶攻击，而无定形聚合物则更易被微生物酶接近。同样，PE与PP等以碳-碳为主链的聚合物缺乏可水解键，相较于聚酯或聚氨酯更难被生物降解。大多数合成塑料的疏水性也阻碍微生物在水生环境中的定植与酶活性，延长其持久性。这些结构属性不仅控制降解动力学，还影响微塑料在生态系统中的迁移、破碎与生物累积。
4. 4.
   丝状真菌作为塑料与微塑料的生物降解因子
   丝状真菌是广泛分布于环境的真核微生物，以能形成称为菌丝的多细胞结构、并进一步组织为菌丝体网络为特征，隶属于真菌界多个门类，其中子囊菌门(Ascomycota)与担子菌门(Basidiomycota)研究最为深入。这类结构功能特征使丝状真菌能高度适应多样生态位，在生物地球化学循环、有机质分解及与其他生物的相互作用中发挥关键作用。丝状真菌的菌丝为管状结构，可分为有隔菌丝（具横隔壁）或共质体菌丝（无横隔壁，形成连续多核细胞）。菌丝顶端（即先端）是活跃生长位点，新细胞在此添加，胞外酶也在此分泌，这些酶对底物的胞外消化至关重要，使丝状真菌能从木质素、纤维素乃至近年被证实的微塑料等复杂来源中获取营养。由菌丝分支与互连形成的菌丝体为环境接触提供了巨大表面积，可实现营养与水分的高效吸收，且其组织形式可随底物与环境条件变化，进一步提升了丝状真菌的适应性。丝状真菌的标志性特征是代谢多样性，可产生纤维素酶、木质素酶、脂肪酶与蛋白酶等多种酶类，促进对大量有机与无机化合物的降解，这一能力在生物修复领域尤为重要。此外，丝状真菌还可产生有机酸等次级代谢产物，促进环境化学改性，使难降解材料更易被分解。丝状真菌存在于所有生境，从土壤、水生环境到沙漠、极地与高污染环境等极端条件。其定植表面并在不利条件下存活的能力源于多种适应机制：一是产生分生孢子与孢囊孢子等抗性孢子，促进扩散与不利条件下的存活；二是对pH、温度与营养可利用性的耐受性，使其能在自然与工业环境中活动；三是形成生物膜的能力，可抵御物理与化学胁迫。生态层面，丝状真菌作为分解者、营养循环者与菌根或内生共生关联中的共生体发挥重要作用。在生物技术领域，其产酶、产生物活性代谢产物与生物质的能力使其在生物修复（包括有机与无机污染物降解）、食品、药物与生物燃料生产，以及生物塑料等可持续材料开发中具有广阔前景。例如，栓菌属(Trametes)与侧耳属(Pleurotus)以分泌漆酶与过氧化物酶降解合成染料著称，在纺织废水中可实现90%以上的脱色率；曲霉属与青霉属在碳氢化合物与石油衍生物生物降解中展现出潜力，可代谢正烷烃、甲苯与菲等化合物；某些地霉属(Geotrichum)与木霉属菌株还可通过螯合或生物吸附机制生物累积或转化镉、铬与铅等重金属；灵芝(Ganoderma lucidum)与云芝(Trametes versicolor)被报道可降解农药与内分泌干扰化合物，降低其毒性与持久性。这些案例凸显了丝状真菌广泛的生物修复能力，涵盖有机污染物、重金属与外来化合物。其成功源于胞外酶体系、生物表面活性剂与有机酸的产生，以及通过广泛菌丝生长定植固体底物的能力，这些代谢与结构特征的结合使丝状真菌成为广谱污染物的强力降解因子。在丝状真菌可降解的各类污染物中，合成聚合物与塑料衍生材料近年来受到越来越多的关注，参与木质素降解、染料去除与碳氢化合物代谢的相同酶系也能攻击复杂塑料聚合物，促进聚合物链的氧化与水解断裂。这种功能相似性解释了为何丝状真菌如今被视为塑料与微塑料降解的潜在生物制剂。在此背景下，理解丝状真菌与塑料材料的相互作用及聚合物降解的机制，对评估其在微塑料治理中的真实潜力至关重要。在塑料与微塑料降解中，其结构、代谢与适应特性的组合表明丝状真菌可在缓解塑料造成的环境污染中发挥创新作用。降解过程主要涉及氧化与水解机制，促进聚合物链断裂，推动塑料解聚。值得注意的是，灵芝与平菇(Pleurotus ostreatus)等担子菌因能产生过氧化物酶与漆酶，在氧化复杂聚合物结构中表现出极强潜力。这种真菌物种与降解策略的多样性表明，丝状真菌可能成为微塑料污染治理的关键参与者，为化学降解方法提供更可持续的替代方案。丝状真菌对微塑料的降解受多种环境条件影响，这些条件可促进或阻碍生物降解过程，对决定真菌降解效率至关重要，涉及温度、湿度、pH、营养可利用性、氧气水平以及紫外线辐射与光照等因素。真菌与其他微生物（如细菌）的相互作用也会影响塑料降解，共生关系或微生物群落有时可提升降解速率，因为部分细菌可产生补充真菌降解过程的酶，能分解塑料组分的细菌存在可促进真菌接触这些聚合物，从而加速降解过程。例如，尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)与枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的群落对线性低密度聚乙烯(linear LDPE)塑料的降解能力就高于单独菌株。总体而言，酶多样性、结构适应性与生态韧性的结合使丝状真菌成为塑料生物降解的核心参与者，为物理化学降解方法提供了可持续替代方案，并与循环经济原则相契合。
5. 5.
   生物降解机制
   5.1 真菌生物质对微塑料的吸附
   微塑料在真菌生物质上的吸附是真菌生物降解过程的关键初始步骤，可促进塑料颗粒与真菌酶的相互作用。丝状真菌因坚固的细胞壁结构、高表面积及对疏水与亲水材料的相互作用能力，非常适合这一过程。真菌细胞壁主要由几丁质、葡聚糖与蛋白质构成，提供了能与微塑料颗粒相互作用的多功能表面。β-葡聚糖包含亲水与疏水域，使其能够结合多种类型的塑料。此外，嵌入真菌细胞壁的特定蛋白（如疏水蛋白）可增强真菌生物质与微塑料（尤其是PE与PP等疏水性聚合物）的疏水相互作用。微塑料吸附通过理化与结构机制共同实现：添加剂或环境风化产生的表面电荷可与真菌细胞壁组分发生静电相互作用，强化颗粒黏附；同时，丝状菌丝网络充当物理捕获系统，菌丝缠绕微塑料颗粒并保持其与酶分泌的紧密接触。这种组合机制增强了微塑料的滞留，并为后续生物降解过程提供支持。

5.2 水解酶与氧化酶的作用

水解酶与氧化酶在真菌降解微塑料中发挥核心作用，其作用于微塑料吸附到真菌生物质之后。一旦微塑料固定在真菌表面，胞外酶即可与聚合物结构相互作用，促进化学修饰，并在部分情况下实现聚合物断裂。酶活性通常涉及两个互补的阶段：表面修饰与聚合物降解。第一阶段，氧化酶在聚合物结构中引入官能团，提升表面反应性，促进后续酶作用。这种修饰不一定立即导致降解，但能提升聚合物链对催化过程的可及性。第二阶段，水解酶作用于易断裂的化学键，促进链断裂并形成可被真菌同化或进一步矿化的更小分子。氧化酶（如漆酶与过氧化物酶）在微塑料的初始转化中尤为重要，这些酶可产生活性自由基，氧化聚合物表面并引入含氧官能团，提升聚合物对进一步降解的敏感性。水解酶（包括角质酶、酯酶与脂肪酶）主要作用于含可水解键的聚合物，导致聚合物链断裂并形成可被真菌进一步代谢的寡聚体与单体。不过，优化微塑料的酶降解仍面临挑战，尤其是酶可及性、环境条件与工业可扩展性方面。许多合成聚合物的晶体结构常限制酶对聚合物链的接触，因此表面氧化或紫外线辐射等物理方法预处理可增强酶-聚合物相互作用。此外，酶活性的最佳条件（如温度与pH）通常与自然环境条件存在显著差异，需要开发能在多变且常处于次优条件下高效发挥功能的稳健酶。要实现从实验室研究到商业应用的转化，将酶过程放大用于工业用途至关重要。有前景的策略包括使用可提升稳定性与可重用性的固定化酶，以及设计用于大规模塑料降解的生物反应器系统，为应对微塑料污染提供可持续且经济可行的路径。

5.3 生物表面活性剂的作用

真菌还可产生生物表面活性剂，其可降低表面张力，促进微塑料与真菌细胞的更紧密接触。这些生物表面活性剂还可乳化微塑料颗粒，提升其在真菌生长培养基中的分散度。它们环境友好且完全可生物降解，确保其使用不会造成额外污染。生物表面活性剂在低浓度下依然有效，适合大规模应用，且能在多种环境条件（如盐度、pH、温度）下发挥作用，进一步提升了适用性。此外，生物表面活性剂常与真菌酶发挥协同作用：乳化与分散微塑料可提升酶结合位点的可及性，加速降解过程。同时，生物表面活性剂可通过修饰微塑料表面使其更具亲水性，促进真菌定植，改善的黏附能力使真菌能在塑料表面建立生物膜，为持续酶活性提供锚定。真菌可产生多种类别的生物表面活性剂，每类都具有促进微塑料相互作用的独特性质。

5.4 矿化与代谢路径

丝状真菌对微塑料的降解可分为两个主要阶段：初级降解与完全矿化。这些过程对理解微塑料在环境中的最终归趋及微生物在降低其环境影响中的作用至关重要。初级降解涉及将大塑料颗粒破碎为更小片段或简单化合物，通常通过物理、化学或生物机制部分改变塑料的化学结构。物理破碎源于紫外线辐射、机械磨损与热应力等环境因素，在聚合物基质中产生裂纹与裂缝，增加微生物定植与酶攻击的表面积。化学改性通常由氧化或水解过程启动，在聚合物表面引入羟基、羰基或羧基等官能团，提升塑料对酶降解的敏感性。生物降解涉及微生物分泌胞外酶，切割聚合物链并产生寡聚体或单体等小分子。完全矿化（或称终极降解）涉及将微塑料转化为二氧化碳(CO₂)、水(H₂O)、甲烷(CH₄，厌氧条件下)与微生物生物质等最简单无机形式，标志着塑料材料从环境中的完全去除。不过，这一过程比初级降解更慢，需要大量的酶与代谢投入。生化路径在此过程中发挥基础作用，真菌与其他微生物通过酶活性代谢简单化合物，具体路径随聚合物类型与环境条件变化。矿化过程通过将降解的聚合物碳整合到微生物生物质中，或通过细胞呼吸以CO₂形式释放，参与碳循环。真菌与细菌的协同作用也很重要，真菌擅长分解复杂聚合物，而细菌可代谢更小的中间产物并完成矿化过程。

1. 6.
   影响丝状真菌塑料降解的因素
   丝状真菌对塑料的生物降解是一个多因素过程，受聚合物相关结构特性及决定真菌活性的环境或生物条件共同影响。理解这些参数对优化降解速率、预测微塑料在自然或实验室环境下的归趋至关重要。其中，合成聚合物的化学结构是影响降解行为的核心因素，其分子结构、官能团、结晶度与聚合度共同决定了材料与物理、化学及生物因子的相互作用方式。一般而言，高分子量与长链结构的聚合物往往更难降解，因为链迁移率降低且降解因子可及性有限，不过这一行为也会随聚合物结晶度、官能团与环境条件变化。更高的聚合度意味着聚合物链堆积更紧密，更难被水解或氧化酶攻击。例如，由长碳氢链构成的PE与PP，因化学结构惰性且缺乏可水解键，对微生物降解表现出显著抗性。聚合物的结晶度指聚合物链在有序、紧密堆积结构中的排列程度，高结晶度的聚合物（如PET与尼龙）存在高度抵抗酶或微生物攻击的区域，这些结晶域充当物理屏障，保护聚合物链免受降解酶相互作用；相比之下，无序且松散堆积的无定形区域更易被酶与微生物活动接近，因此结晶区与无定形区的比例直接影响降解速率。聚合物主链或侧链上的官能团也影响其易降解性，含酯键、酰胺键或碳酸酯键等可水解官能团的聚合物更易被酶降解，而以碳-碳主链构成的惰性聚合物（如PE与PP）缺乏易断裂键，对化学与酶降解均有高度抗性，这类聚合物严重依赖漆酶或过氧化物酶介导的氧化过程来引入活性基团，才能进一步发生断裂。许多聚合物（如PE、PP与PS）的疏水性使其与水生环境兼容性较低，而微生物降解主要发生在水环境中，疏水性聚合物排斥水分，限制了酶或微生物接近并降解它们的能力，不过引入羟基或羰基等极性官能团的氧化过程可提升亲水性，使聚合物更易被酶攻击。交联结构的聚合物（如热固性塑料）尤其难降解，交联在聚合物链之间形成共价键，形成高度稳定的三维网络，降解因子更难接近。例如，硫化橡胶与某些聚氨酯因交联网络而对酶与微生物攻击表现出极强抗性。除聚合物结构外，酶可及性是真菌塑料降解的主要限制。胞外酶是大分子，无法轻易穿透致密或非多孔的聚合物基质，因此降解主要是表面驱动过程。酶活性的有效性强烈依赖于微塑料的表面积、孔隙率及前期环境或理化改性程度。紫外线辐射、机械破碎、热氧化或化学氧化等预处理策略可增加表面粗糙度并引入活性基团，促进酶附着与催化活性。若无此类改性，酶降解往往缓慢且仅局限于聚合物的表层。环境条件强烈影响丝状真菌的塑料降解表现：温度同时影响真菌生长与酶活性，大多数中温真菌的最佳降解温度为25–35 °C，而土赤壳菌(Thielavia terrestris)等嗜热菌株可在更高温度下降解聚酯。pH是另一个关键因素，许多真菌氧化酶与水解酶在酸性条件（pH 4–6）下表现出最佳活性，而这并不总是与自然环境的pH一致，pH变化会改变酶的稳定性、催化效率与蛋白质结构，直接影响降解速率。在水生系统中，盐度与离子强度可能通过改变渗透平衡与蛋白质构象进一步影响酶稳定性与真菌生理，使海洋环境中的酶性能低于淡水或土壤系统。此外，有机质与竞争底物的存在可能通过共代谢机制刺激或抑制酶的产生，这取决于营养可利用性与环境胁迫条件。真菌定植与生物膜形成也在微塑料降解中发挥重要作用，菌丝附着在塑料表面可实现局部酶分泌，并创造提升水分保持、营养累积与催化效率的微环境。生物膜形成增加了真菌生物质与微塑料的接触，促进氧化酶与水解酶在聚合物界面的富集，这种局部相互作用可显著提升降解效率，尤其是在复杂环境系统中，稳定定植可增强长期酶活性。合成聚合物常含有增塑剂、稳定剂、阻燃剂与颜料等添加剂，这些成分可能影响其降解。添加剂可能通过改变聚合物的化学性质或产生抑制微生物生长的毒性副产物，充当微生物或酶活动的屏障；相反，某些添加剂（如促氧化剂催化剂）可通过促进聚合物链的氧化破碎加速降解，典型例子包括八羰基二钴(Co₂(CO)₈)与亚铁离子(Fe²⁺)。暴露于紫外线辐射、氧化与机械磨损等环境条件的聚合物会发生表面改性，进而增强或抑制降解：紫外线辐射可断裂聚合物链并引入酮与醛等含氧基团，促进微生物定植与酶作用，但长期环境老化也可能形成结晶化氧化层，成为进一步降解的屏障。营养可利用性通过共代谢机制影响降解：当存在葡萄糖或纤维素等补充碳源时，尖孢镰刀菌与黑曲霉(Aspergillus niger)等真菌的降解速率会提升，因为这些底物提供的能量支持酶产生与氧化应激响应；相反，营养匮乏可能诱导次级代谢与产孢，降低降解效率。此外，生物相互作用也可调节降解表现，混合微生物群落通常优于单一菌株，因为细菌伙伴可产生表面活性剂、有机酸或互补酶来辅助真菌作用，例如严格枝孢霉(Sarocladium strictum，原名为Acremonium strictum)与巴莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)共培养时，低密度聚乙烯的降解效率提升至两倍。理解聚合物化学结构与降解机制之间的关系对开发提升微塑料生物可降解性的靶向策略至关重要，酶工程、预处理方法与可生物降解塑料设计的进展有助于克服特定聚合物对微生物降解的固有抗性，为微塑料污染提供更有效的解决方案。从实践角度看，经济与可扩展性挑战仍是真菌酶降解广泛应用的重要障碍，酶的生产、纯化与稳定成本高昂，且自然条件下的降解速率通常较慢。大规模应用需要优化的生物反应器系统、固定化酶、工程真菌菌株与受控环境参数，以实现高效且经济可行的过程。若无技术优化，微塑料的酶降解可能仍局限于实验室规模或小众应用。综上，聚合物的内在特性与外在环境条件共同决定了真菌生物降解的速率与程度。当物理与化学改性提升了聚合物的亲水性与表面积，同时温度、pH、氧气与营养可利用性等环境参数能维持真菌酶活性时，可实现最佳表现。
2. 7.
   丝状真菌生物降解的研究方法
   丝状真菌对微塑料的降解研究结合了受控实验室实验与将这些发现放大到工业应用的策略，这些方法旨在评估降解效率、理解潜在机制，并评估在环境场景中部署真菌系统的可行性。实验室研究是探究真菌降解微塑料的基石，提供了分离变量并在分子水平研究过程的受控环境。测试前，微塑料通常通过粉碎大块塑料材料制备为细颗粒或微珠，这些塑料的理化性质（如分子量、结晶度与表面形态）可通过傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)与热重分析(thermogravimetric analysis, TGA)等技术分析：FTIR用于识别聚合物表面的官能团，SEM用于观察真菌暴露前后表面形态的变化，揭示真菌活动导致的裂纹、凹坑或侵蚀，TGA用于监测热降解行为以指示聚合物完整性。除这些常用方法外，X射线衍射可用于确定聚合物结晶度的变化，反映酶攻击过程中的结构改变；差示扫描量热法(differential scanning calorimetry, DSC)可提供熔融温度与玻璃化转变温度的变化信息，指示链断裂或氧化；接触角分析可评估表面疏水性的变化，与微生物黏附及生物膜形成效率直接相关；ζ电位测量有助于确定表面电荷的改变，影响真菌吸附及与聚合物颗粒的静电相互作用；原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)可对真菌定植后的塑料表面进行纳米尺度的形貌与力学变化可视化，提供粗糙度与弹性的定量评估。不过，当前许多研究存在依赖短期孵育、缺乏动力学建模的局限，难以区分表面氧化与有效生物降解（矿化）。很少有研究纳入实时光谱或同位素示踪来阐明代谢同化路径，而这会加强真菌作用的机制解释。真菌通常在以微塑料为主要或唯一碳源的液体或固体培养基中生长，典型实验设置包括液体培养（微塑料悬浮于真菌培养基中，允许酶扩散）、固态培养（真菌在嵌入微塑料的琼脂平板上生长）以及生物膜测定（研究真菌在塑料表面的生物膜形成，增强黏附与降解）。这些测定通常使用定量与定性方法评估真菌生长（如干重测量）与酶产生（如漆酶或过氧化物酶测定）。不过，传统培养方法可能无法准确反映真实环境中真菌-塑料相互作用的复杂性，例如研究显示真菌菌株的降解能力会因塑料底物的表面疏水性与电荷而变化，纳入表面能与接触角测量可更好地与生物降解效率相关联。此外，目前缺乏标准化方案，使得跨研究比较困难，阻碍了预测模型的开发。评估丝状真菌微塑料降解的关键指标包括失重、CO₂释放与分子量降低：失重是材料破碎的直接指标，反映真菌暴露后塑料质量的总体下降；CO₂释放测试测量CO₂的释放，标志着真菌代谢塑料碳时的聚合物矿化；分子量降低通过凝胶渗透色谱(gel permeation chromatography, GPC)分析，揭示长聚合物链断裂为更小、更简单分子的解聚过程。不过，这些方法各有局限性：失重无法区分物理破碎、添加剂浸出与真正的生物降解；CO₂释放是矿化的最稳健指标，但需要严格受控的条件，且可能被培养基中的其他碳源混淆；GPC提供聚合物链断裂的定量见解，但其准确性取决于样品溶解度与适当校准，这对老化或氧化微塑料而言难度较高，因此推荐采用多参数评估来验证降解结果。此外，大多数生物降解研究的一个关键空白是未能充分区分非生物降解与生物降解，非生物预处理（如紫外线、加热）可能虚假提高真菌降解表现，未来研究应包含相同条件下的非生物对照，并使用单位生物质或酶活性的累积CO₂释放来报告生物降解情况。纯化的真菌酶会在体外进行测试以确定其对微塑料的直接作用，测定可量化酶活性并识别降解副产物，包括更小的聚合物片段、单体与次级代谢产物，通常使用高效液相色谱(high-performance liquid chromatography, HPLC)与气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)进行分析。不过这些分析工具也有约束：HPLC对极性水溶性代谢物灵敏度高，但若不与质谱联用则可能遗漏挥发性降解产物；GC-MS适合小分子挥发性片段，但极性化合物需要衍生化，且可能无法检测高分子量寡聚体，两种技术都需要用标准品仔细验证，以避免将浸出的添加剂误认为真正的降解产物。为获得可靠的机制阐释，应使用同位素标记底物追踪碳通量，区分真菌转化与添加剂的简单吸附或浸出，此外对暴露于微塑料的真菌进行宏基因组或转录组分析可揭示新的降解路径与调控机制。降解产物的毒性是重要关切，因为更小的塑料片段或次级副产物可能以非预期的方式与生物体及环境相互作用，比大块微塑料更容易进入生物系统，增加生物累积及与细胞过程相互作用的可能性。细胞毒性与生态毒性测定的使用对评估真菌降解产物的安全性及其潜在生物影响至关重要。体外测定中常用的标准化测试包括MTT法（测量线粒体代谢活性，评估微塑料降解副产物暴露后的细胞活力）、活性氧(reactive oxygen species, ROS)测定（量化细胞内的氧化应激，反映降解中间产物的促氧化或抗氧化性质）、乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase, LDH)泄漏测定（评估质膜完整性，指示与聚合物片段或化学添加剂相关的细胞毒性），以及彗星试验与中性红摄取等其他测定，分别提供遗传毒性与溶酶体功能的补充见解。体内模型中，斑马鱼(Danio rerio)、大型溞(Daphnia magna)或秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)等水生生物暴露于降解产物，有助于识别微塑料降解产物造成的发育、行为与生殖影响。生态毒理学分析还应纳入乙酰胆碱酯酶抑制与脂质过氧化水平等生化生物标志物，以揭示暴露生物的潜在神经毒性或氧化应激响应。结合这些测定可从多维视角评估毒性，确保真菌修复策略不仅有效，而且环境安全。虽然实验室研究提供了见解，但将这些发现转化为大规模应用需要克服诸多挑战，例如确保真菌在自然环境中生长，并在非无菌条件下维持降解效率。放大过程通常涉及为真菌生长与微塑料降解量身定制的生物反应器，优化曝气、搅拌与营养供应等条件对维持大规模真菌活性至关重要。不过，真菌系统在应用生物修复技术中仍未得到充分利用，与细菌相比，真菌在中试或田间研究中的研究较少，尽管其拥有更广泛的酶库与定植疏水表面的能力。因此，真菌基生物反应器或固定化酶系统的开发应得到更多关注与资金支持。此外，生命周期评估(life cycle assessment, LCA)与技术经济分析(techno-economic analysis, TEA)应尽早纳入研究流程，以指导真菌生物修复在规模化应用中的可行性与环境影响。
3. 8.
   挑战与未来展望
   尽管丝状真菌的应用为解决微塑料污染提供了有前景的路径，但将这些过程放大到工业或环境应用仍面临大量挑战，这些局限涵盖生物、环境、技术与经济因素，共同阻碍了真菌基降解方法的广泛采用。在生物挑战方面，真菌降解通常具有聚合物特异性，即特定物种或酶可能仅能有效降解某几类塑料，例如擅长降解PET的真菌可能对PE或PS效果有限。此外，真菌降解通常比物理或化学方法更慢，且许多真菌在受控实验室条件（如特定pH、温度与湿度）下表现出最佳降解活性，在多样化的自然环境或工业场景中复现这些条件仍具挑战。近期研究强调，真菌的酶库具有多样性，但其活性高度依赖于聚合物表面的可及性与亲水性官能团的存在，因此氧化预处理或酶鸡尾酒可能是启动生物降解的必要条件。此外，真菌生物膜形成虽有利于疏水表面黏附，但在动态或严苛环境条件下可能被抑制，降低长期有效性。在自然场景中，真菌必须与其他微生物（如细菌）竞争，这可能抑制其定植或酶效率，降低真菌降解的整体有效性。尽管有报道称与细菌共培养可通过协同酶分泌提升降解效率，但塑料富集生境中真菌-细菌相互作用的动态仍知之甚少，这一知识的欠缺限制了微生物群落的工程化设计。一个常被忽视但关键的屏障是微塑料从环境基质中的收集、分离与浓缩初始步骤。在自然环境中，尤其是海洋与淡水系统中，微塑料分散、分布不均且常嵌入沉积物或生物膜中，这些特征使其回收在技术上极具挑战且资源密集。当前的回收策略包括密度分离、膜过滤、静电收集与使用功能化颗粒的磁提取，但尚无任何一种方法能在大尺度下