《Frontiers in Synthetic Biology》：A comparative review of microplastic remediation strategies: constraints of physical and chemical approaches and opportunities for synthetic biology
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微塑料污染已成为一项关键的环境挑战，然而现有修复策略在环境相关条件下实现更完全矿化的能力仍然有限。在本综述中，研究人员比较了基于物理、化学和合成生物学的不同微塑料修复方法在降解效率、环境安全性和适用性方面的表现。物理技术可用于高效去除颗粒物，但通常会将污染物从
微塑料污染已成为一项关键的环境挑战，然而现有修复策略在环境相关条件下实现更完全矿化的能力仍然有限。在本综述中，研究人员比较了基于物理、化学和合成生物学的不同微塑料修复方法在降解效率、环境安全性和适用性方面的表现。物理技术可用于高效去除颗粒物，但通常会将污染物从一个环境基质转移到另一个环境基质，而非完全消除。化学方法可实现部分聚合物降解，但通常需要高能耗过程并产生二次产物。相比之下，基于合成生物学的策略提供了在较温和条件下对聚合物进行更具选择性、可编程甚至可持续降解的机会。更确切地说，基因工程微生物和生物系统可以提高此类过程的选择性，同时减少传统技术对环境的影响。本综述评估了利用合成生物学进行微塑料修复的可能性与限制，以及其与物理和化学处理策略的互补性。
**1 引言**
微塑料（MPs）是尺寸小于5 mm的塑料颗粒，最初在大西洋中被观察到。此后，已在不同水源中观察到微塑料污染增加的趋势，并在水生系统、农业生态系统和生物有机体中均有记录。然而，传统的管理方法如填埋和焚烧往往缺乏效率，并可能引入额外的环境问题。当前修复策略主要包括物理和化学方法。物理方法如过滤和浮选侧重于将微塑料从环境介质中分离；而化学方法（包括高级氧化过程（AOPs））旨在通过改变聚合物链来降解微塑料。然而，这两种方法的效果仍然受限。作为传统修复策略的替代方案，合成生物学为增强生物降解提供了一个有前景的平台，其中微生物和酶可将塑料聚合物分解为更小的分子。与传统方法相比，此类方法可靶向污染物而不产生二次危害。然而，生物降解对环境因素敏感，因为微生物活性和酶效率高度依赖周围条件。不过，人工智能（AI）驱动的工具可能有助于优化酶效率并识别能够降解微塑料的微生物菌株。通过整合生物信息学、合成生物学和人工智能，研究人员可能设计出具有更高效率和最小副作用或限制的新型降解途径。这些前沿技术共同为微塑料污染提供了一条生态友好且有效的解决方案。为了系统比较当前修复策略并进一步评估合成生物学在微塑料修复中的新兴作用，本综述审视了基于物理、化学和合成生物学的微塑料修复方法的机制、优点和局限性。
**2 传统微塑料修复策略**
尽管传统修复技术持续进步，但在现实条件下实现高效且环境可持续的微塑料修复仍然面临重大挑战。为了更好地理解新兴生物方法的需求，首先审视现有物理和化学修复策略的机制和局限性非常重要。尽管物理和化学方法的发展有所上升，但两者均未提供完全有效或可持续的解决方案。物理方法仅转移颗粒而非破坏它们；化学方法通常需要苛刻条件并可能产生二次污染物。因此，两种技术都转移了环境风险而非消除它。
**2.1 物理分离方法：机制与转移限制**
物理方法被视为从介质中去除MPs的直接途径，例如过滤。然而，尽管此类方法广泛应用，它们主要依赖于基于颗粒特性的分离。例如，过滤按尺寸分离，密度分离按密度进行，吸附按表面亲和力分离，而浮选和气泡介导的聚集按界面行为分离。这导致微塑料在介质之间转移而非消除。表1总结了主要技术、机制、观察结果和关键局限性。物理方法包括过滤、浮选、磁分离、密度分离、气泡介导聚集和吸附。过滤可去除86.9%–99.9%的颗粒，但对10–20 μm颗粒效率较低（约86.9%），并存在堵塞、不完全捕获细颗粒、需要频繁维护以及产生含微塑料的浓缩废物流等问题。浮选在受控实验室条件下有效，但在复杂环境基质中效率下降，且结果不一致。磁分离对某些塑料珠具有高去除率，但引入不可生物降解的磁性纳米颗粒，造成二次污染。密度分离受限于塑料与天然颗粒的相似密度，增加试剂使用并存在污染风险。气泡介导聚集可增强聚集和分离效率，但可能机械侵蚀塑料表面，增加微米和纳米塑料的释放。吸附可将污染物转移到二次材料中，需要再生和处理，产生额外废物。
**2.2 化学降解方法：反应机制与环境约束**
化学方法常被视为物理技术的替代方案。这些方法使用活性物种或能量输入来化学改变聚合物链。表2总结了主要化学技术、机制、结果和局限性。例如，高级氧化和光催化中的活性氧物种（ROS），或热解中的热能。这些方法可在实验室条件下矿化塑料。然而，这些要求限制了它们在自然环境中的可行性，同时产生有害副产物。高级氧化过程（AOPs）通过氧化产生ROS来断裂聚合物链，可在受控环境中部分降解微塑料，但需要高能量输入、受控pH和催化剂，并产生可能与原始塑料同样有害的反应中间体。光催化使用光激活催化剂产生ROS进行聚合物降解，在实验室光催化剂条件下有效，但在自然环境中效率有限，依赖于光强度和催化剂稳定性，并产生不完全降解。热氧化/热解使用高温将塑料分解为小分子，可显著分解塑料材料，但产生持久性有机污染物如二恶英、呋喃和多环芳烃（PAHs），毒性风险高。与物理方法相比，化学方法可更有效地分解微塑料聚合物，但受限于高反应温度并常产生有害污染物。自然环境的复杂性进一步降低了它们在实验室条件之外的效率。此外，副产物可能造成污染并破坏水生和陆地生态系统的生物系统。
**3 新兴合成生物学修复策略**
传统物理和化学修复方法的局限性增加了对生物方法用于微塑料管理的兴趣。与传统技术主要分离、转移或部分降解污染物不同，生物系统在相对温和的环境条件下提供了更具选择性和潜在可持续修复的可能性。特别是，合成生物学的进展通过使工程化微生物、酶和响应性生物系统具有更高的降解特异性和环境适应性，扩展了生物修复的能力。这些新兴策略不仅旨在增强聚合物降解效率，还引入了可编程传感、代谢途径优化和受控生物部署作为微塑料修复的综合方法。
**3.1 微塑料降解的生物修复方法**
生物修复是指在相对温和条件下利用生物系统（包括微生物、酶和生物活性材料）去除或降解环境污染物。在微塑料修复背景下，生物方法因其具有更高的底物特异性和潜在更低的环境影响而受到越来越多的关注。在现有策略中，工程微生物是研究最广泛的方法之一。例如，自然存在的细菌Ideonella sakaiensis 201-F6被报道在30°C受控实验室条件下，6周内几乎完全降解了低结晶度聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜。它通过PETase和MHETase酶的联合活性发挥作用，首次证明了自然存在的细菌对PET的同化作用。随后的酶工程研究进一步提高了PET水解酶在实验室条件下的降解效率和热稳定性。除了全细胞系统，分离的酶提供了更可控的降解途径，同时降低了微生物释放到环境中的风险。生物膜介导的降解也成为重要机制，因为微生物生物膜可改善表面定殖并增加酶与疏水聚合物底物之间的接触。近期研究表明，生物膜形成可显著增强塑料表面风化和微生物附着，这对于提高水生环境中的降解效率至关重要。这些方法共同表明，基于合成生物学和生物修复的策略正从被动生物降解转向工程化系统，能够提高降解特异性、环境适应性和长期修复潜力。尽管PETase工程显著改善了PET水解，但热稳定性仍是一个机制上复杂的瓶颈，而非简单的最大化参数。PET解聚在接近PET链流动性增加的温度下有利，但必须与酶变性和热诱导聚合物重结晶相平衡，两者均可降低水解效率。此外，稳定PETase的突变也可能使底物结合裂缝变僵硬，降低催化周转。例如，工程研究表明，底物结合裂缝大小和亲和力的变化可在某些情况下提高活性，但在其他情况下降低特异性、亲和力或稳定性；在一个报道案例中，Y87E突变使熔融温度提高了12°C，但几乎不产生酶活性，表明过度僵硬会损害催化。
**3.2 针对不同微塑料类型的合成生物学策略**
基于前述物理和化学修复方法的局限性，合成生物学方法在降解效率上表现出强烈的聚合物依赖性差异。这种差异主要由聚合物键结构、结晶度、疏水性和表面可及性决定，这些因素决定了酶能否有效接触并切割聚合物链。例如，PET含有可水解的酯键，并具有涉及PETase和MHETase系统的既定酶促降解途径，而高结晶度PET仍需要酶工程或优化反应条件以提高解聚效率。然而，PETase工程仍然受限于热稳定性、催化灵活性和聚合物可及性之间的平衡：较高温度可改善PET链流动性，但过度加热也可能促进重结晶，减少酶对酯键的接触。相比之下，聚氨酯（PU）降解更具可变性，因为PU材料在化学成分上差异很大，并且在分解过程中可能产生有毒中间体，而具有C–C主链的塑料如PE、PP、PS和PVC由于疏水性、化学惰性和有限的酶可及性而特别顽固。补充表1总结并比较了主要微塑料类别的合成生物学降解策略，包括代表性机制、工程方法和实际实验或概念验证实施。在三个类别中，PET代表了酶促降解最先进的系统，有天然和工程化途径支持。I. sakaiensis的发现表明，PET可通过PETase和MHETase活性酶促转化为对苯二甲酸和乙二醇，后来的酶工程研究表明，在优化条件下PET解聚效率可显著提高。例如，在10小时内实现了至少90%的PET解聚，但此性能是在优化反应条件下而非环境可变条件下实现的。生物膜介导的酶展示可能通过将催化活性定位于塑料-水界面来改善PET降解，但当前证据仍更接近受控概念验证而非现场验证。例如，BIND-PETase（一种工程化大肠杆菌curli展示系统）在二次废水流出物中降解PET微塑料，并在7天后保持与缓冲液相当的活性。然而，实验使用了调节至pH 9的过滤流出物、确定的PET微塑料负载和30°C受控孵育。因此，尽管这项研究提供了比纯缓冲液实验更强的环境相关性，但它尚未解决工程化生物膜系统在自然水生环境中在波动的盐度、有机物负荷、本地微生物竞争和水力剪切下是否仍然有效。合成生物学生物传感器为监测降解提供了补充策略，而非直接降解塑料。对于PET系统，对苯二甲酸响应的全细胞生物传感器报告检测阈值为10 μM，工程化缺失突变体达到纳摩尔范围，但这些传感器检测可溶性PET分解产物而非完整微塑料颗粒。这凸显了在含有盐、有机物、混合聚合物和生物污染物的复杂基质中评估生物传感器灵敏度、选择性和稳健性的必要性。PU降解仍然受限于化学多样性和有毒中间体形成的风险，而C–C主链塑料继续构成最大障碍，因为其饱和碳-碳键不易被酶裂解，通常需要先进行氧化或多步处理才能使生物处理可行。总体而言，这些比较表明，未来合成生物学修复的进展将依赖于结合酶工程、底物活化、表面结合增强和多步降解途径的综合策略，而非单一酶系统。
**3.3 基于合成生物的修复策略的挑战**
微塑料修复和降解的一个主要挑战是分析目标不是单一分子，而是由不同聚合物类型、尺寸、老化状态和添加剂组成组成的异质颗粒群体。这种异质性使标准化检测复杂化，因为分析结果强烈依赖于颗粒尺寸截止值和聚合物特定性质，并且老化可进一步改变表面化学和相互作用行为。因此，微塑料颗粒的直接生物颗粒感应仍然困难，尤其是在环境相关浓度下，颗粒稀薄且与天然有机物和其他干扰物混合。因此，许多合成生物学策略依赖于基于代理的检测而非直接颗粒识别。这些系统可检测代理或下游化学物质，如聚合物降解产物或单体、老化过程中释放的添加剂或浸出物，或间接信号。这种基于代理的方法与生物传感器通常用于环境监测的设计方式一致，因为基因编码系统最可靠地识别定义明确的化学分析物，而非不规则的固体颗粒。补充表2总结了主要共生技术及其主要优点和局限性。本综述后续部分包含的iGEM项目被选为与微塑料检测、降解和系统级工程相关的合成生物学设计逻辑的示例性说明。选择基于与生物传感、酶促降解或计算辅助生物系统设计的主题相关性。这些项目作为在教育性和竞赛性背景下开发的概念原型呈现。它们不被视为同行评审的实验证据，因此用于展示设计原则而非验证的环境性能。在此背景下，iGEM Stockholm (2023)描述了一种用于微塑料检测的生物发光生物传感器概念，强调可及性和直接读数方法；iGEM Lund (2017)提出了一种使用与门（AND-gate）逻辑设计（具有多个输入）的大肠杆菌遗传电路，反映了团队如何在生成信号输出前尝试提高特异性；最近，FSU - iGEM (2025)开发并工程化了蛋白质和生物分子系统以减少微塑料的肠道吸收，提出了一种预防性生物医学方法，将注意力从环境去除转向限制微塑料在人体内的吸收和潜在健康影响。总体而言，这些示例作为设计灵感和概念实现呈现，而非已建立的修复技术。
**3.4 基于合成生物的修复策略的未来和潜在解决方案**
未来基于合成生物的修复策略正越来越多地超越单一酶降解系统，向更集成和自适应的微塑料管理平台发展。当前研究不仅关注提高降解效率，还关注开发生物传感系统、可编程“感知-响应”架构和计算辅助蛋白质工程，以增强特异性、环境适应性和实际适用性。这些方法共同表明，合成生物学如何支持未来开发更高效和可持续的微塑料修复系统。闭环“感知-响应”系统通常通过模块化输入-输出架构探索，这些架构旨在后续与环境接口和可访问输出相结合。在此概念框架内，iGEM (2024a)项目提供了此逻辑的相关概念验证示例，因为它整合了微塑料相关检测与AI辅助解释和响应导向的系统设计。此类平台并非作为独立的降解方法，而是说明合成生物学如何与计算工具结合以支持自适应环境监测和决策。iGEM (2024b)然而，需要强调该项目代表早期原型，应被解释为概念演示而非已建立的修复技术。另一个新兴方向涉及人工智能（AI）与基于合成生物的修复系统的整合。iGEM (2024b)项目展示了一个概念验证工作流程，其中AI辅助蛋白质工程用于预测和优化微塑料降解酶的潜在突变位点。使用基于AlphaFold的结构预测结合计算筛选，该系统在实验验证前识别并模拟了多个可能改善蛋白质稳定性、底物结合或催化效率的候选突变点。这种方法并非完全依赖传统的试错诱变，而是允许研究人员将大型突变文库缩小为一组高概率候选者，显著减少实验时间和资源消耗。
**4 比较分析与未来展望**
**4.1 主要发现总结**
如上所述，当前物理和化学修复方法在环境相关条件下仍不足以实现微塑料的完全矿化。物理方法主要将颗粒在相之间转移而不改变聚合物结构，而化学方法产生二次污染物并需要极端条件（高能量输入、强氧化剂和极端pH），阻碍了可扩展部署。这揭示了一个关键差距：现有方法重新分配环境风险而非消除它。合成生物学通过基于代理的传感和闭环“感知-响应”架构提供了不同的策略。通过检测定义明确的化学分析物（单体、降解产物、添加剂）而非异质固体颗粒，这些系统克服了微塑料异质性。此类系统不仅可报告颗粒存在，还可报告解聚进展，从而实现基于环境条件自我限制的反馈驱动修复。补充表3总结了物理、化学和基于合成生物的微塑料修复方法之间的关键差异，包括其机制、效率、环境影响和实际限制。每种策略都表现出影响其在现实环境条件下有效性和可持续性的独特特征。
**4.2 结论**
总之，本综述评估了当前基于物理、化学和合成生物学的微塑料修复策略，并比较了它们的机制、降解效率、环境影响和实际适用性。物理方法对快速颗粒去除仍然有效，并受益于已建立的基础设施，但这些方法主要转移污染物而非完全消除它们。化学降解策略可部分破坏聚合物结构，但依赖于苛刻反应条件、高能量输入和二次污染物的产生，限制了其大规模应用。这些局限性共同表明，许多传统修复方法减少了可见污染，但未能实现完全和可持续的微塑料修复。与传统方法相比，合成生物学为微塑料修复引入了一个更可编程且潜在更具选择性的框架。涉及工程微生物、基于代理的生物传感、生物膜介导的降解和工程化活体材料的策略表明，生物系统可在相对温和条件下提高降解特异性。此外，闭环“感知-响应”系统代表从被动污染物监测向能够动态响应环境信号的自适应修复策略的转变。然而，仍有几个主要挑战未解决。微塑料的异质性、生物系统在复杂环境基质中的不稳定性、与基因修饰生物相关的生物安全问题以及缺乏标准化的环境测试协议，继续限制其大规模部署和实际实施。未来研究应集中于提高酶稳定性、扩展跨不同聚合物类型的代理检测能力，以及开发用于环境应用的可靠生物遏制策略。结合物理预浓缩与后续生物降解的混合修复系统可能在可扩展性和降解完整性之间提供更实际的平衡。总体而言，合成生物学目前并不取代传统修复方法，但它提供了一个新兴平台，可能支持开发更可持续、自适应和环境兼容的长期微塑料管理策略。
