解锁塑料生物可降解性：曲霉属驱动的生物修复机制与增强策略——迷你综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Unlocking Biodegradability in Plastics: Insights from Aspergillus-Driven Bioremediation - A Mini Review

　　

**摘要专业翻译**：
研究人员评估了曲霉属（*Aspergillus*）在聚合物降解方面的潜力；讨论了曲霉属物种分泌的胞外酶在塑料降解中的作用；指出了适当的预处理方法能够增强聚合物的生物降解效率；综述了用于评估聚合物生物降解的各项分析技术；并探讨了增强酶降解潜力的生物学策略。

**论文解读文章**：

**一、研究背景与研究目的**

塑料自20世纪中叶大规模生产以来，已成为全球环境负担的重要来源。过去50年间，塑料产量增长了20倍，2023年全球产量达到约4.138亿吨，预计未来20年还将翻倍。全球常用的塑料包括低密度和高密度聚乙烯（LDPE；14%和HDPE；12.2%）、聚丙烯（PP；19%）、聚氯乙烯（PVC；12.8%）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET；6.2%）等。然而，全球仅有9%的塑料废物被回收，12%被焚烧，其余79%进入填埋场或露天垃圾场。塑料的持久性源于其高结晶度、高分子量和疏水特性等固有属性，导致其降解周期极为漫长。此外，塑料中添加的重金属、类二噁英化合物（DLCs）和内分泌干扰化学物质（EDCs）泄漏到环境中，对人类健康造成多种危害。当前处理的焚烧法释放致癌物和二氧化碳（CO₂），回收法则面临成本效益挑战。因此，开发可持续的塑料废物管理策略成为迫切需求。近年来，微生物介导的塑料生物降解受到广泛关注，其中曲霉属（*Aspergillus*）因其独特的菌丝结构、广泛的分布适应性、丰富的胞外酶系统以及成熟的遗传操作体系而被认为是最有潜力的塑料降解真菌类群之一。本文旨在系统评述曲霉属在聚合物降解中的作用，涵盖全菌丝体系统和游离酶两种途径，总结预处理方法和评估技术，并探讨增强降解效率的策略。

**二、主要技术方法概述**（不超过250字）

研究人员系统梳理了曲霉属降解聚合物的多种方法与技术路径。在预处理环节，采用热处理、化学氧化、UV辐照和γ辐照等非生物预处理方法改变聚合物表面性质。评估手段包括重量损失（WL）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振（NMR）波谱、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、差示扫描量热法（DSC）、Sturm试验（CO₂矿化测定）及凝胶渗透色谱（GPC）等。酶学研究中，通过亲和色谱、离子交换色谱等方法从曲霉中分离纯化角质酶（cutinase）、脂肪酶（lipase）、酯酶（esterase）等，并结合动力学参数和蛋白质数据库（PDB）结构信息进行表征。此外，还涉及微生物联合体构建、CRISPR-Cas9基因编辑平台和蛋白质工程等生物技术手段。

**三、研究结果**

**2.1 曲霉属全菌丝体对聚合物的生物降解**
曲霉属作为专性需氧丝状真菌，通过疏水蛋白（hydrophobins）介导菌丝附着于聚合物疏水表面，随后菌丝穿透聚合物基质，利用聚合物作为碳源进行增殖。降解过程包括生物碎片化（biofragmentation）、同化（assimilation）和矿化（mineralization）等阶段，最终将聚合物转化为H₂O、CH₄、CO₂和N₂等氧化代谢产物。表1汇总显示，多种曲霉属物种在PE、PU、PP、LDPE、PET、PVC、PLA、PBSA等聚合物上均表现出不同程度的降解能力。例如，A. terreus和A. sydowii处理PE60天后重量损失达58.5%，拉伸强度降低94.4%；A. flavus处理PU 30天可实现60%的重量损失；A. clavatus处理LDPE 90天重量损失为35%。

**2.1.1 生物降解前的聚合物预处理方法**
非生物预处理方法（热、化学、氧化）可打破聚合物碳链，形成自由基并与氧反应生成羟基、羰基和羧基等亲水极性基团，从而提高表面能量和亲水性，降低酶结合和水解的能量壁垒。研究显示，A. niger对70 ℃热预处理10天的HDPE膜在30天培养后形成生物膜，重量损失3.44%，拉伸强度降低61%，而未经预处理的对照组无强度损失。A. fumigatus和A. carbonarius处理LDPE时，热处理（39.1%重量损失）优于化学处理（17.7%）和γ辐照处理（5.8%）。组合预处理策略也显示协同效应：UV+化学+热预处理使A. niger降解PE袋30天重量损失达27%；A. terreus在组合预处理下对HDPE的重量损失提升约2倍（约20%）。然而，过度的预处理可能产生对微生物有毒的副产物，且UV或γ辐照的能耗限制其工业化应用。

**2.1.2 全菌丝体降解聚合物的评估技术**
目前最常用的评估指标为重量损失和SEM表面形貌观察。FTIR用于检测官能团化学变化，如A. flavus降解PU时酯键水解导致羰基减少，以及HDPE生物氧化形成羟基、羰基和醚基。NMR光谱可揭示聚合物化学主链的弱化，如A. terreus处理PBSA 30天后峰强度显著下降。DSC和XRD分析表明真菌优先攻击无定形区域，导致剩余聚合物结晶度升高。GC-MS用于鉴定降解产物，如A. fumigatus降解PU泡沫21天后检测到二异氰酸酯和醇含量增加。Sturm试验定量矿化过程产生的CO₂，例如A. clavatus降解LDPE释放2.32 gL^-1 CO₂，A. fumigatus降解PU释放10.03 gL^-1 CO₂。然而，仅依赖重量损失、FTIR和SEM并不能全面反映矿化效率，未来需结合GPC分子量降低分析和中间产物鉴定，并补充酶活性动力学数据。

**2.2 曲霉属胞外酶对聚合物的生物降解**
作为全菌丝体体系的替代方案，从曲霉属中分离纯化的胞外酶可直接催化聚合物降解。这些酶分为水解酶类（酯酶、角质酶、脂肪酶、PHB解聚酶）和氧化酶类（漆酶、过氧化物酶）。水解酶属于α/β-水解酶超家族，具有保守的Ser-His-Asp催化三联体，通过亲核水解切断酯键。角质酶具有暴露的活性位点裂缝，能直接作用于不溶性聚合物表面，对PET和脂肪族/芳香族聚酯降解特别有效。A. oryzae角质酶（21.6 kDa）可降解PBS和PBSA，且对C3-C8醇和C4-C6羧酸具有特异性。A. niger脂肪酶（35-37 kDa）在37 ℃、pH 7.0条件下分别实现PCL和PLA薄膜78%和87%的重量损失。A. flavus酯酶（20 kDa）异源表达后可降解水性聚酯PUR。A. XH0501的角质酶（44.7 kDa）在40 ℃、pH 8.6下将PBS分解为水溶性琥珀酸和琥珀酸酯。氧化酶类通过多铜中心（漆酶）或血红素辅因子（DyP型过氧化物酶）催化自由基介导的氧化反应，适用于PE和PP等不含酯键的C-C/C-H主链聚合物，但迄今尚未有关于曲霉属纯化漆酶和过氧化物酶直接降解塑料的报道。纯化酶策略在酶动力学研究和工业应用方面具有优势，特别是可避免菌体消耗单体产物，有利于单体回收和循环经济。

**2.3 增强曲霉属降解聚合物能力的生物学和物理学方法**
多项研究显示，微生物联合体比单一菌株具有更高的降解活性。A. fumigatus与A. carbonarius联合培养处理LDPE 16周后重量损失为5.0%，高于单一菌株（A. fumigatus为2.3%，A. carbonarius为3.8%）。A. niger、A. fumigatus和A. tubingensis三菌联合体处理25 μm和40 μm LDPE膜9个月后重量损失分别达19.1%和9.8%，均高于各单菌株。蛋白质工程方面，研究聚焦于A. oryzae角质酶的理性热稳定化改造、A. fumigatiaffinis角质酶的结构引导工程，以及2024年发现的通过表面电荷工程增强PET解聚的新酶。CRISPR-Cas9多拷贝整合平台已在A. niger中实现角质酶基因的稳定多拷贝插入和高水平重组表达。此外，将合成聚合物与淀粉、纤维素等可生物降解有机材料共混，可促进微生物定植和胞外酶分泌，从而加速整体降解过程。

**2.4 曲霉属驱动塑料生物修复的规模化可行性**
目前尚缺乏大规模研究。规模化面临的核心挑战包括反应器设计中丝状真菌致密菌丝生长限制氧传质、单菌培养易受污染、以及发酵模式和操作参数的优化需求。游离酶体系虽有利于单体产物的回收，但酶生产成本和纯化能耗较高。生命周期评估（LCA）显示下游加工和纯化成本主导酶生产的环境足迹。经济分析建议通过固态发酵利用廉价底物进行现场酶生产以降低成本。此外，生物安全是重要的制约因素——许多野生曲霉物种产生霉菌毒素，对人类和脊椎动物有害。因此，工业应用应优先选择公认安全的非致病性菌株如A. oryzae和特定的工业用A. niger菌株，它们在食品发酵和工业酶制造领域已有数十年的安全使用记录。酶固定化反应器耦合超滤膜生物反应器可在增强酶稳定性和可重用性的同时连续提取单体产物以防抑制。

**四、讨论与结论总结**

讨论部分指出，现阶段研究过度集中于PE类聚合物，对其他类型的聚合物关注不足；可生物降解塑料的降解速率高度依赖环境条件，现有工业堆肥设施尚不能有效处理；酶工程技术虽能加速降解过程，但基因改造菌株的环境释放需严格控制在工业堆肥设施内；单一菌种无法降解所有聚合物类型，构建能产生互补水解酶和氧化酶的混合真菌联合体是提高效率的重要方向。未来需结合宏基因组学、转录组学和代谢组学等方法从分子水平解析降解机制，同时优化生物反应器设计、整合物理化学预处理，并推动向可生物降解生物塑料的转变以实现全系统效率最大化。

结论部分翻译如下：本综述批判性评估了曲霉属物种在聚合物生物降解中的作用，强调其降解水解性聚酯（如PET、PLA、PHB）和非水解性聚合物（如PE、PP）的能力。曲霉属的生物降解潜力归因于其独特的菌丝特性——产生促进疏水聚合物表面附着的疏水蛋白、菌丝穿透聚合物三维基质的能力、以及由水解性酯酶、角质酶和脂肪酶以及氧化性漆酶和过氧化物酶组成的多样化酶系统。角质酶和脂肪酶展现出显著的聚合物降解活性，在塑料回收和废物管理中具有巨大应用潜力。最后，本综述探讨了基因、蛋白质和代谢工程领域的最新进展，强调这些策略是增强曲霉属塑料降解酶性能的广阔而尚未充分探索的途径。未来，基因组分析、人工智能辅助蛋白质设计和计算建模的持续进步有望加速发现和改造更高效、更稳定的曲霉属塑料降解酶，从而开发出用于塑料可持续生命周期终结管理的稳健生物催化系统，助力全球塑料污染治理。