微生物驱动的循环生物经济途径用于生物塑料的可持续管理

《Waste Management》：Microbial-driven circular bioeconomy approaches for sustainable bioplastics management

　　

生物塑料为基于化石原料的塑料提供了低碳、可生物降解的替代方案。
较差的末端处理管理限制了生物塑料的可持续性。
微生物酶能够实现生物塑料的高效解聚和回收。
微生物升级转化将废弃物转化为有价值的生物基产品。
循环生物经济依赖于微生物系统、政策和创新的协同作用。

引言

随着塑料污染问题日益严重，对传统石油基塑料的可持续替代品的需求变得更加迫切，使生物塑料成为一种突出的材料创新和环境政策方向（Ferreira-Filipe等，2021）。生物基、可生物降解或兼具两者特性的生物塑料，通过使用淀粉、甘蔗、木质纤维素生物质和有机工业废弃物等可再生原料，有望降低对有限化石资源的需求（Mousavi等，2024）。这些特性推动了生物塑料的快速增长和政策支持。然而，认为生物基或可生物降解材料总是可持续的这一观念，是对生物基材料末端管理所面临挑战的过度简化（Stanley等，2025）。

生物降解通常被提及为重要的环境效益，但并非循环性的标准。要实现可生物降解生物塑料的高效降解，需要在工业堆肥条件下控制特定因素，如温度、湿度、氧气和微生物参数，正如聚乳酸（PLA）的情况所示（Rosenboom等，2022）。此外，不完善的收集和分拣系统往往导致现有回收流被污染，或废弃物被填埋在降解不完全的地方，从而产生温室气体排放（GHG）（Stanley等，2025）。堆肥或生物降解可以阻止长期环境累积，但在两种情况下，有价值的聚合物材料都以二氧化碳、水和生物质的形式被处置掉，这是生产阶段附加值的一种损失。

循环生物经济的重点不仅在于安全处置，还在于在经济内保持和持续使用其价值。循环经济（CE）框架旨在通过再利用、维修、翻新和回收，使产品、材料和资源尽可能长时间地保持在循环中使用（Liao，2022）。当应用于生物塑料时，该方法专注于材料的保留和回收链，以延长其使用寿命，同时将生物降解限制在生命周期末端。因此，对于不存在更高价值回收循环的材料，需要采取"加分"方法，因为这是一种补充措施。

在此背景下，微生物生物技术可以提供除传统生物降解之外的机会。最近研究表明，微生物及其酶能够选择性解聚生物塑料，产生可用于生产新生物产品、生物基化学品、酶、生物聚合物和其他高附加值产品的单体和中间产物（Adamu等，2023）。微生物升级转化过程更符合循环生物经济原则，因为废弃物的价值被保留并提升，而不仅仅是矿化。与生物回收更侧重于废物稳定和处置不同，微生物升级转化将废弃生物塑料重新转化为进一步回收的原料，形成闭环材料流。

微生物本身是大自然的回收者，通过高效的代谢网络参与有机物的回收循环（Jain等，2021）。这些能力可以应用于生物塑料管理的多种途径，包括生物降解、堆肥以及更复杂的生物转化和资源回收。其中，微生物升级转化是实现生物塑料融入循环生物经济最具前景的方式，因为它同时解决了废物管理、资源效率和价值创造的问题（Soni和Soni，2025）。生物降解应被视为生命周期末端的次要解决方案，与价值保留选项并行使用，在经济上不可行时采用。因此，本综述将分析循环生物经济背景下生物塑料废物管理的微生物技术，重点讨论微生物升级转化和价值回收途径。此外，还将讨论可生物降解性和堆肥作为整合循环系统中额外的末端处理选择。

生物塑料融入生物循环经济从根本上取决于其通过自然生物因素的高效降解（表1）。微生物，主要是细菌和真菌，作为地球的主要分解者，拥有经过进化而来的复杂酶工具包，用于处理复杂的有机聚合物。理解这一微生物工具包的特异性、机制和环境限制，是利用其实现受控循环的第一个关键步骤（Pathak，2017；Nambiar等，2024）。

Sheel和Pant（2017）以及Clark和Shaver（2024）在各自的研究中指出，微生物解聚是一个机制级联过程，微生物通过该过程将生物塑料分解为单个单体和寡聚物，这些单体和寡聚物可被细胞代谢和能量获取所利用。该过程不是单步完成的；相反，它通过四个由不同微生物活性区分的步骤来实现。

1. 生物劣化：第一阶段是细菌和真菌在生物塑料表面的定殖。这些微生物在菌落形成过程中产生低分子量代谢物，使材料结构完整性软化，导致更多表面粗糙度和微裂纹，从而允许进一步的酶作用。

2. 生物碎裂：此步骤涉及微生物合成一系列酶——解聚酶、角质酶、脂肪酶和淀粉酶——其选择性由聚合物底物决定。这些酶如同分子剪刀；它们将聚合物链切割为在溶液中更具溶解性的寡聚物和单体链，可被微生物 readily 吸收。

3. 同化：可溶性片段被微生物细胞吸收，并纳入复杂的代谢途径，包括糖酵解和氧化。此时，塑料底物携带碳骨架和能量，用于维持生物合成过程和细胞生长。

4. 矿化：在最后阶段，微生物将同化的片段完全转化为简单终产物。在好氧情况下，完全矿化产生二氧化碳、水、热和新生物质。在厌氧条件下，甲烷和二氧化碳是主要代谢物（Weng等，2021）。选择好氧或厌氧途径在生物反应器设计和产物回收方面具有重大含义。好氧降解通常更快，产生CO2、H2O和热，可作为工艺副产物，且具有嗜热特性；而厌氧消化虽然较慢，但产生有价值的甲烷（CH4）作为沼气，以及可用于作营养丰富副产物的消化物（Ayol等，2021）。微生物解聚阶段和生物聚合物降解的关键生物驱动因素见表2。此外，表2中显示的生物降解和厌氧消化时间主要是在实验室或中试规模条件下测定的，在实际操作条件下可能有很大差异。微生物解聚和厌氧消化在处理受污染和/或难以回收的生物塑料废物流方面各有优缺点，但通常比传统回收器慢。与化学解聚过程不同，化学解聚通常需要几小时或更短的时间在受控热或催化过程中分解聚合物，机械回收通常可以在几小时到几天内将分拣的塑料废物转化为聚合物。然而，生物系统通常需要几天到几周进行好氧降解，20到60天进行厌氧消化，因为微生物定殖、酶解、同化和矿物化是顺序过程。因此，微生物加工的主要优势不在于过程的速度，而在于其在相对温和的操作条件下对受污染、异质且不可回收废物流进行增值的能力。

生物碎裂的成功本质上取决于微生物酶与聚合物基质中发现的化学键之间的锁钥特异性（Khan和Ali，2023）。特定的生物塑料需要特殊的酶组合才能实现最佳解聚，如表3所示。

细菌碳储存聚合物天然可生物降解，这与遗传性降解密切相关。广泛的细菌分泌细胞外PHA解聚酶（PhaZ），许多这些细菌也合成PHA，使它们能够根据环境条件既生产又降解聚合物。这些酶分解酯键，产生羟基脂肪酸，可被轻易同化。PLA被认为是微生物降解的相对顽固底物，因为它具有较高的玻璃化转变温度，并且由于静态水接触角在70°至85°之间而具有高度疏水性。它通过初始的、主要非酶促的温度依赖性水解反应进行动力学降解。寡聚物的进一步形成允许某些丝氨酸蛋白酶和角质酶切割剩余的酯键。要实现PLA的有效分解，通常需要工业堆肥系统中存在的持续嗜热环境，以软化聚合物基质并增强微生物酶的活性。淀粉制成的塑料很容易被自然界中广泛存在的淀粉酶降解。聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和聚己内酯（PCL）是易受脂肪酶和脂肪酶作用的脂肪族聚酯（Hosni等，2019；Tyagi等，2022；Brtnicky等，2024）。

酶浓度越高，生物聚合物的水解率越高，但酶的生产是酶水解过程中回收和生物转化成本的主要驱动因素之一（Adsul，2024）。酶成本可能是重要的运营成本，这取决于酶的类型、其生产方法和纯化需求，可以通过改善催化效率、实施酶固定化策略以及开发能够原位产生酶的微生物系统来优化（Akinsemolu等，2024）。这些策略对于生物塑料增值特别相关，因为在大规模生产方面，生产成本还可能受到底物可获得性和产品收率以及酶成本的严重影响（Baghmare等，2025）。

应用于循环经济的微生物降解优化需要通过受控的实验室测定过渡到对现实世界环境动态的了解。非生物决定因素直接影响微生物群落的结构和功能（Danso等，2019）。温度可以说是最重要的变量，它决定了酶动力学，决定了哪些群落——嗜冷性、中温性或嗜热性——占主导地位。例如，PLA的有效降解需要长时间嗜热期（>58℃），这只能在精心控制的工业堆肥堆垛中实现，很难在家用堆肥堆和自然界中实现（Intasian等，2021）。湿度含量也很重要，它调节溶质运动和微生物运动；缺水会抑制酶解，而水淹会促进厌氧微生境的形成。环境pH值影响酶的稳定性及细胞中的摄取机制；大多数解聚酶在中性pH值下具有最佳活性。最后，宏量和微量营养元素（氮、磷）的可获得性可能限制微生物生长，特别是在降解顽固的、富含碳的聚合物时。因此，设计的生物降解系统，无论是工业堆肥器还是管理的土壤生物修复点，都通过调节这些参数来积极执行，以支持目标降解菌的生长和活性（Intasian等，2021）。微生物酶解示意图见图1。

虽然一些卓越的微生物降解和升级转化技术已经开发出来，但政策和法规方面却没有取得相同的进展，这对其大规模部署构成了重大挑战，正如Foschi等（2023）所指出的那样。一个关键挑战是缺乏生物塑料分类、标识、收集和末端处理标准的协调统一。某些术语如可生物降解、可堆肥或生物基在不同司法管辖区之间使用不一致，这导致消费者困惑和不善的处置做法。因此，生物塑料经常进入传统塑料回收流或填埋场，使回收和生物处理过程效果降低。缺乏将微生物增值技术整合到现有废物管理法规中是另一个重要的政策缺口。当前政策侧重于回收、堆肥和减少填埋，对微生物升级转化等创新生物技术选项提供的指导或经济支持很少。因此，具有实验室规模的有前景的创新往往难以迈出中试规模和商业化的下一步。

此外，许多国家对基因修饰微生物（GMM）和基于酶的加工技术的监管程序尚未明确界定，这使得行业利益相关方产生疑虑（Leal Filho等，2025）。同时，缺乏专门的废弃物基础设施政策限制了原料的可获得性。市政当局需要以源头分类的方式收集废弃物，以便有效地利用微生物生物塑料对材料进行增值，但许多市政当局无法将可降解塑料与传统塑料聚合物从废物流中分离开来。为释放微生物驱动的循环生物经济方法的全部潜力，未来的政策框架需要将重点从终端废弃物管理转向价值保留策略，这将促进更高效的过程和更多的经济价值创造（Foschi等，2023）。这包括制定国际统一的标准化规范、推广特定的废弃物收集和生物转化系统、为工业规模的生物转化工厂提供专项激励措施，以及促进通过生物技术进行废弃物增值的清晰监管路径。这些都是将科学转化为循环经济解决方案的必要步骤（Leal Filho等，2025）。

堆肥和土壤陆地系统是复杂的动态生态系统。在堆肥过程中，一系列微生物群落依次发挥作用：嗜温细菌启动过程，随后嗜热细菌和放线菌引发高温阶段，这一阶段对聚乳酸（PLA）的分解至关重要，而在冷却和成熟阶段，嗜温微生物（如真菌）再次出现。土壤群落活性较低但多样性更高，降解速度要慢得多，而水分、温度、pH值和营养供应对其降解有显著影响（Akhlaq等，2023）。在水生和海洋环境中，由于温度较低且更为稳定，生物降解通常更慢，涉及的是专门耐盐和嗜冷的微生物群落。常规的堆肥性测试无法确保海洋生物降解性能，因此有必要进行环境特异性测试和材料设计以避免海洋污染（Curto等，2021）。

所谓的可生物降解性应通过严格且标准化的科学测试来证明，以防止漂绿行为，并确保材料确实与生物处理兼容。在缺乏此类验证的情况下，声称可生物降解的产品可能会滞留于环境中，或进入无法处理它们的废物流中。国际标准对于确定在受控条件下什么被认为是可生物降解的至关重要，尽管每个标准都有其优缺点（Silva等，2023）。一些最著名的体系包括ASTM D6400、ISO 17088和EN 13432，这些标准适用于工业堆肥。这些标准涉及一系列同步测试，以确保材料能够安全高效地分解。首先，化学披露证明塑料不含可能影响堆肥质量或破坏微生物种群的有毒元素。其次，崩解测试确定材料在12周的实验室规模堆肥条件下分解成小于2毫米碎片的能力。第三，在生物降解测试中，在受控实验室条件下，物质中至少90%的碳必须在180天内转化为CO?。最后，生态毒性测试确保最终堆肥物不会对植物造成伤害，且不含可能带来风险的残留物（Stoica等，2022；Wyman和Salmon，2024）。尽管这些标准力度较强，但它们是针对理想的工业堆肥环境优化的，通常以长时间的热相温度和受控通气为特征。这些条件在实际废物管理系统中并不一定存在，其中停留时间可能缩短且环境参数更为动态。这种不匹配引发了在次优条件下认证材料实际命运的问题（Sharma等，2023）。其他环境方面存在重大空白。目前尚不存在家庭堆肥、土壤生物降解或海洋环境的通用标准，而这些都是管理不善的塑料的主要终端处理途径。厌氧消化标准也未得到充分发展。这些漏洞导致材料被作为环保产品出售，却仍在污染环境，例如可堆肥塑料留在海洋中。循环经济模式的下一阶段将涉及制定环境特异性标准，以促进适当处置、知情材料设计和预期生物降解性能（Mulchandani和Narayan，2023）。

这些路径的实施需要选择适当的生物过程配置，但这类配置在控制、成本和产出方面存在权衡取舍。

纯培养 vs. 混合培养：工程化微生物的纯培养（如专门的假单胞菌属菌株）能够对代谢途径提供精细控制，以高产量获得单一产品，如木质素衍生物流的间位裂解途径芳香化合物。然而，纯培养需要无菌条件，且易受污染（Zhou等，2025）。混合微生物培养（MMC）则是一种利用微生物生态优势的非无菌系统。MMC可通过施加选择性压力（如饱食-饥饿循环以积累聚羟基脂肪酸酯）在较低的资本和运营成本下执行复杂的转化，例如将发酵水解物中的挥发性脂肪酸转化为聚羟基脂肪酸酯（Mirza等，2026）。

微生物生物塑料升级利用的一个主要障碍是城市固体废物流的异质性。可生物降解塑料（如聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯和淀粉基混合物）往往在传统塑料（如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP））中肉眼难以区分，导致混合废物分级难以高效分离。虽然微生物菌群比单菌株具有更广泛的代谢能力，使其能够作用于多种底物，但它们通常缺乏选择性靶向高度污染混合物中生物塑料所需的特异性。同样，塑料降解酶通常是聚合物特异性的，意味着混合底物会降低降解效率和过程可预测性。因此，有效的分拣、原料纯化和预处理仍是微生物增值的必要前提（Rao和Radha，2025）。

批次发酵 vs. 连续发酵：批次发酵在生物反应器中进行，接种后允许进行至完成后再收获。它操作简单，适用于产品抑制动力学，但有相当大的停机时间。连续发酵同时进料和出料，在大规模处理一致性废物流（如专门的生物塑料分拣设施）时提供了更好的生产率和稳态操作（Carlozzi和Touloupakis，2021）。

液态深层发酵 vs. 固体发酵：在大多数关于升级利用的研究中，采用液态深层发酵（SmF），即微生物在含有溶解的塑料水解物的液体培养基中培养，允许良好的混合和营养转运。固态发酵（SSF）——微生物在湿润的固体基质（如碎生物塑料结合麸皮等营养载体）上培养——研究较少但可能颇具前景。它可能模拟堆肥环境，包括选择性接种物，并可能需要较少的水来脱除下游产物中的水分（Martínez-Avila等，2021）。微生物生物塑料废弃物升级利用的图示表示见Fig. 2。

Mashhadi等（2026）指出，微生物驱动的循环生物经济策略成功的关键在于获得可靠、一致且足够纯净的原料流。在微生物降解和升级利用技术开发方面已取得一些进展，但原料供应是实现大规模实施的主要障碍。实际上，生物塑料废弃物通常不是以均质材料流的形式出现。相反，生物塑料的消费后和工业后废弃物往往与传统塑料、食物残渣、粘合剂、染料、涂料、填料和其他污染物混合在一起，阻碍了下游生物处理过程中的解聚（Ahuja等，2024）。

原料污染是一个主要挑战，因为微生物转化过程对原料组成非常敏感（Aggarwal等，2024）。与传统的废弃物管理（其中一定程度的污染是可以接受的）不同，用于聚合物升级利用的许多解聚和转化途径需要中等纯度的聚合物流，以便微生物和酶进行高效解聚和产物形成。例如，聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或其他石油基塑料的存在会影响生物塑料废物流中的转化效率、酶的活性和分离成本。同样，重金属、清洁剂、杀虫剂和工业化学品等污染物可能阻碍微生物生长、干扰代谢过程或在处理过程中产生有害的反应产物（Vanaraj等，2025）。

污染的关键来源之一是废物分拣系统不善。在许多地区，由于消费者缺乏如何处置生物塑料的明确指导，生物塑料往往被与普通塑料一起丢弃。此外，可生物降解塑料与非生物降解塑料之间的外观相似性给塑料的人工分拣带来困难，并可能超出现有塑料回收基础设施的处理能力。此外，从城市固体废物系统收集的生物塑料废物流通常具有高异质性，限制了它们的直接微生物增值（Nasser等，2025）。

原料供应也因现有生物塑料品种繁多而变得复杂。商用生物塑料有各种聚合物，如聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯、淀粉基塑料、聚合物混合物（如聚己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT））等。每种材料都有不同的物理化学特性、降解过程和微生物转化需求。因此混合生物塑料流非常具有挑战性，因为适用于一种聚合物的最佳预处理条件可能对另一种完全无效甚至产生不利影响。这种变异性会导致过程低效并阻碍在过程下游生产统一产品的能力（Aggarwal等，2024；Vanaraj等，2025）。

然而，要克服这些困难，在许多情况下需要在微生物转化前进行重要的预处理步骤。预处理可以通过分拣、清洗、粉碎、粒径减小、密度分离、溶剂萃取、化学水解或热处理来完成。这些过程提高了原料质量和微生物的可及性，但同时也增加了能源消耗、操作复杂性和总处理成本。对于某些应用，预处理成本可能占总体运营成本的相当大比例，从而可能负面影响微生物升级利用系统的经济可行性（Tang，2026）。

目前正在研究新兴技术以增强原料质量和供应链可靠性。近红外光谱、高光谱成像、基于机器学习的识别和机器人分离系统已被证明能够在生物塑料与传统塑料分离方面实现更高的精度。同时，建议开发数字产品护照、采用标准化标签系统和生产者延伸责任制方案以改善可追溯性并促进源头分类收集。产业共生模式也可能产生更均匀、污染更少的原料，因为它们涉及直接从制造工厂收集废旧生物塑料，从而避免市政废物流（Umakanth等，2022）。

原料供应不应仅仅被视为物流问题，而应被视为影响循环生物经济系统性能的重要因素。废物流入流的质量、可获得性和一致性是影响微生物升级利用环境和经济效益的重要因素（Holden等，2023）。即使最高效的微生物技术，如果其收集、分拣和预处理系统薄弱或不存在，也可能在市场上不可行。因此，未来的研究需要将原料管理政策与微生物过程开发、技术经济分析和生命周期评估相结合，以确保生物转化技术的发展能够转化为循环生物经济的可扩展解决方案（Schipfer等，2024）。

Karp等（2023）报告称，任何升级利用途径的可行性不仅取决于生物学因素，还取决于严格的经济和环境指标。一个决定因素的例子是原料成本与纯度：低成本（甚至负成本）的原料（废物）是主要的经济优势。然而，这与达到精细生物过程所需纯度所需的收集、分拣和预处理成本相对冲。其他塑料、粘合剂、污垢可能抑制微生物或毒害催化剂。产品价值与市场：商业案例将取决于升级后产品的市场价值和产量。

高纯度、小批量的废物流可能适用于高价值、低产量的产品（例如特种生物表面活性剂）。要实现大规模低成本生产，就需要高通量工艺，从而适用于低价值、高产量的产品（例如沼气、堆肥）。平台化学品如琥珀酸或乳酸处于中间地位，需要通过工艺优化才能与石化产品或第一代生物基同类产品竞争。生命周期评估（LCA）：有必要进行从摇篮到摇篮的生命周期评估以确保环境优势。从摇篮到摇篮的生命周期评估评估产品或工艺在整个生命周期中的环境影响，从原材料开采（"摇篮"）到生产、使用、回收，直至再循环为新产品（"摇篮"），从而确保材料在循环系统中保留而非成为废物（Tamoor et al., 2022, Wattier et al., 2023）。其中一些关键问题是：考虑到其能量和化学需求，升级改造工艺与使用原生生物质或化石资源生产同类产品相比是否更加碳友好？它是否优于工业堆肥控制或厌氧消化？系统扩展方面，在避免原生生产方面所带来的效益通常是最大的环境收益，这必须通过针对这些新工艺的可靠且清晰的LCA研究来证明。据Mubayi等人（2024）指出，微生物升级改造是生物降解理念的进阶阶段，对应着循环经济的价值驱动因素。尽管仍存在相当大的工艺集成和经济问题，但生物塑料废物可以作为一种资源而非负担，微生物可以作为这场变革核心的通用工厂。尽管天然微生物群落提供了一个工具集，但高效、可预测且经济可行的循环经济要求可能超出了野生型生物体的潜力。这需要合理设计和工程化生物系统。通过合成生物学和系统微生物学，微生物现在可以被重新配置为高度精确和高性能的生物塑料循环性代理人，推动生物可能性的极限（Semple and Pandhal, 2025）。代谢工程是生物技术的一个应用领域，其中有目的地操纵有机体的代谢途径以增加特定物质或活性的生产。在生物塑料废物管理方面，重要的工程目标包括：改善分泌和酶活性：野生型解聚酶可以表征为活性差、稳定性低或分泌能力弱。编码这些酶的基因可以聚集到更强大的工业系统中，如枯草芽孢杆菌或黑曲霉，它们是高产分泌者。此外，定向进化可用于工程化具有增强热稳定性（对PLA降解至关重要）、扩展底物特异性或抑制物耐受性（废物流中大量存在）的菌株（Oh et al., 2022）。增加底物利用范围：许多有效的工业微生物无法天然利用生物塑料的单体或寡聚物。代谢工程师可以导入异源途径并将它们组合起来。例如，将伊氏希瓦氏菌的PET水解酶和同化途径整合到大肠杆菌中，可以使这个多功能底盘不仅能够降解PET，还能潜在降解相关聚合物，使一种土壤细菌成为以塑料为食的定制细胞工厂（Francis and Parayil, 2023）。工程化途径效率和产品收率：在底物被摄取并转运到细胞内之后，碳途径需要以最佳方式引导到目标产品中。这包括消除竞争途径、过表达瓶颈酶和应用动态调控回路。例如，要从PLA生产乳酸到可生物降解聚合物PHA，可以设计大肠杆菌过表达PHA合酶并抑制将碳导向副产物（如乙酸）的途径（Ogunlusi et al., 2025）。生物塑料降解和增值的合理代谢工程如表4所示。单一超级细菌不一定能最优地完成所有复杂任务。合成群落涉及两种或多种工程化或筛选菌株的共培养，利用分工和交叉供养来复制自然生态系统，但结果是经过设计的。典型的群落设计包括一种被称为降解者的菌株，专门分泌解聚酶，以及一种被称为转化者的菌株，专门摄取产生的单体并生产有价值的产品。降解者可能无法高效利用释放的单体，因为它缺乏同化所需的代谢途径，而转化者可能无法利用解聚酶，这是一种互利依赖关系。稳定性通过空间结构（生物膜）或营养交叉供养来实现。现实生活中的最大问题之一是混合生物塑料（例如PLA-淀粉混合物）。一个群落可以由一个分泌淀粉酶来分解淀粉的芽孢杆菌菌株和一个分泌蛋白酶来分解PLA的阿米科尔菌属菌株组成，它们协同作用比单独作用更有效地分解混合物。随后产生的糖和乳酸混合物将作为第三种工程化生产菌株的养料（Crespo-Roche et al., 2025）。使用活细胞的极端对立是无细胞系统，它利用在受控生物反应器中纯化的细胞酶装置。在纯化的解聚酶和代谢酶混合物直接添加到粉碎的生物塑料中的无细胞升级改造过程中。由于不存在维持代谢、复制和细胞壁，可以将所有能量和碳引导到所需催化转化中。这使得反应速率非常快，对否则会导致整个细胞死亡的有毒物质具有抵抗力，并且可以简单地回收产品而不一定需要分离细胞和 broth。尽管在高品质化学品生产中理想，无细胞系统目前受限于酶成本（生产和纯化）以及在多步途径中辅因子再生系统的缺乏。尽管如此，聚焦于快速酶解PHA或PLA为纯单体的去聚合作用是一项前沿的高度可控技术（Ahsaini et al., 2025）。工程化生物系统的部署，特别是在开放或半开放环境中如堆肥设施中，会带来合法的安全和监管问题。物理封闭主要用于封闭生物反应器。生物封闭在可能发生环境释放时至关重要。这可能包括创建营养缺陷型菌株，使其在缺乏非天然存在的人工氨基酸的情况下无法存活，或者所谓的"杀死开关"，在响应特定环境信号或营养耗竭时诱导细胞裂解。通过选择接合基因转移倾向低的宿主生物体，并将必需基因整合到染色体中而不是保持在移动质粒上，可以降低水平基因转移的风险。据Bohle等人（2024）报告，欧盟指令2001/18/EC对GMM在废物管理中的使用有严格规定。商业化途径需要就致病性、生态效应和遗传稳定性进行严格的风险评估。为了获得公众对如此强大工具的信任以及监管批准，在封闭式中试工厂和受控田间试验之间必须进行公开交流和受控实验（Abidin et al., 2025）。因此，生物工程可以被视为突破微生物过程自然限制的有力工具。通过使生物系统成为可循环性的活跃工厂，可编程的，同时以谨慎的系统确保其安全和道德实施，我们可以在生物系统中创造效率、特异性和韧性（Gupta et al., 2024）。要使微生物技术真正为循环经济做出贡献，它们不应仅仅是实验室中的实验，而应集成到可以规模化并在实践中使用的实际系统中。这将需要了解每种技术的成熟度，设计兼容实际废物流的系统，评估环境和经济表现，并确保更广泛的监管和市场环境促进采用（Singh et al., 2025）。对各种微生物策略成熟度的评估将有助于识别哪些解决方案可以立即应用，哪些需要长期开发。其中一项最成熟的技术，并且在许多国家已经实施，是对认证可堆肥生物塑料的工业堆肥和厌氧消化，特别是淀粉基材料。还有一些酶预处理工艺正在被转移至中试示范。许多微生物升级改造方法，包括从PLA生产PHA或使用发酵回收单体，仍处于实验室阶段或早期原型水平。进一步发展的理念，如工程化微生物群落或无细胞酶系统，用于执行复杂解聚作用，仍处于研究阶段。总体而言，目前的情况表明，短期循环计划将基于堆肥和消化，而长期进展将基于构建更先进的生物塑料升级改造生物精炼厂（Sorino et al., 2024）。高效的微生物循环系统的构建基于生物塑料废物的性质、现有基础设施和期望的产品类型。集中式系统以大规模生物精炼厂为中心，能够处理大量分类的生物塑料。这些设施可能在前端采用酶水解，然后将水解产物引导至多种微生物过程，如单体回收、PHA生物合成或沼气生成。尽管它们非常高效，但这些系统需要巨额资本投资，并且必须有稳定的清洁原料供应。更具可行性的短期解决方案是升级现有的有机废物处理设施，例如堆肥和厌氧消化单元，以使其能够接收与食物和园林废物混合的认证可堆肥生物塑料。与集中式系统不同，分布式系统基于较小的或现场系统，包括安装在生物塑料废物产生地点的模块化解聚单元。这些单元部分分解材料，然后将处理后的浆料转移到区域设施。地方堆肥和沼气生产也可以纳入社区规模运营的模型中，形成闭环模型，可用于维持当地能源和土壤改良，但此类模型在一致性、质量控制和经济性方面已知存在困难（Sangtani et al., 2023）。图3展示了循环系统模型的整合地图。一幅对比图，展示了一个集中式生物精炼厂（显示来自区域的大规模流入，多条工艺线汇聚）与一个分布式网络（显示多个本地枢纽将预处理材料输送至较小的中央设施）。图标代表收集、预处理、发酵和产品输出阶段。一个有效的微生物循环系统应能够展现环境优势和经济优势。LCA评估的影响包括温室气体排放、化石资源、水资源需求和毒性。微生物升级改造的环境效益通常可以通过系统减少原生化学品生产需求的程度来确定，这具有巨大的避免负担效益。尽管如此，LCA还需要考虑制造酶、生物受体和预处理的环境成本。技术经济分析用于补充LCA以分析微生物过程的经济可行性。它考虑了设备和基础设施的资本支出，包括能源和酶在内的运营成本，以及产品如回收单体、PHA、沼气和消化液的潜在收入。TEA可以指示哪些因素对盈利能力影响最大，例如酶成本或原料纯度，并且经常可以发现将微生物过程添加到现有设施中，例如在废水处理厂中，可以大大影响经济可行性（Schipfer et al., 2024）。除了生物学效率高之外，微生物生物塑料升级技术还需要经济上可行和环境可持续。因此，技术经济评估（TEA）和LCA已成为探索循环生物经济路径的商业潜力和环境影响的核心工具。结合使用这些方法可以全面回答实验室创新是否可以扩展为经济上可行且环保的工业过程这一问题（Karp et al., 2023）。据Marichamy（2025）报告，TEA是一种经济评估方法，包括分析资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、生产成本、盈利能力、投资回报率和市场竞争力。

原料的可用性和成本是微生物升级循环系统的重要影响因素，因为微生物转化生物塑料废弃物可能需要对其进行收集、分类、处理和预处理。废弃物原料可能价格低廉甚至为负值，但使原料达到足够纯度以实现高效生物处理所需的成本可能是该过程经济学中的关键因素。其他方面，如生物反应器设计、能源使用、产品收率、下游加工和产品市场价值，也在商业可行性中发挥作用（Karp et al., 2023；Hassanein, 2026）。

微生物升级循环的经济学可行性与其所获得产品的价值高度相关。对于高价值化合物，如生物表面活性剂、特种化学品、酶和药物前体，处理相对少量且异构的废弃物是合理的。另一方面，低价值产品如沼气和堆肥需要大量的处理量以及优化良好的经济运营，才能保持经济可行性。中等价值的平台化学品，如乳酸、琥珀酸和聚羟基脂肪酸酯，是有趣的目标，但必须与现有的石化产品和第一代生物基化学品的生产路线竞争。因此，技术经济分析（TEA）是识别工艺瓶颈、评估放大过程和进行投资决策的重要工具（Climent Barba et al., 2022）。

生命周期评估（LCA）是对产品或工艺在其整个生命周期内环境影响的评估，而TEA仅关注经济表现。在生物塑料废弃物管理的范围内，LCA通常采用从摇篮到摇篮的方法，考虑原料收集与运输、预处理、微生物降解、产品回收、使用和最终处置或再利用中的环境影响。温室气体排放、能源消耗、水资源使用、富营养化潜力、酸化潜力和资源耗竭是评估的关键环境指标（Mubayi et al., 2024）。

当升级循环微生物过程所需能量较高、需要大量使用化学品或需要可能导致废弃物增值过程中产生环境损失的净化过程时，LCA尤为重要。因此，评估特定产品的微生物升级循环的总环境影响是否低于基于原始生物质或化石资源的传统生产过程的环境影响是很重要的。比较性生命周期评估也是必要的，用于评估微生物升级循环相对于其他最终处置选项（如工业堆肥、厌氧消化、机械回收或填埋处置）的潜在环境优势。最显著的环境效益通常出现在避免使用等效新原材料的情况下，也称为系统扩展或避免负担核算（Zhang et al., 2024）。

TEA和LCA相互补充，比单独使用其中任何一个都能为决策提供更坚实的基础。一个经济上具有吸引力的过程可能与巨大的环境负担相关联，而一个环境效益显著的过程在放大至工业规模时可能非常昂贵。因此，使用TEA-LCA组合框架来确定最佳工艺配置——即最大化经济回报和环境效益的配置——变得越来越普遍。这对于新的微生物升级循环技术尤为重要，在这些技术中，工艺效率、产品价值、能源使用和环境影响的需求与劣势可能十分复杂（Hassanein, 2026）。

微生物升级循环也是相较于传统生物降解方法的重大进步，因为它旨在保留和增值回收可生物降解塑料废弃物，而不仅仅是将其矿化。然而，其在循环生物经济中的作用只有在进行全面的技术经济和生命周期评估的前提下才能实现。因此，未来的研究需要聚焦于标准化TEA和LCA方法的实施、中试规模验证和全系统评估，以促进这些微生物生物塑料升级循环技术的可持续商业化（Marichamy, 2025）。

微生物循环系统的有效性不能仅通过科学和技术进步来实现，还需要社会、法规和各行业的支持。废弃物流应高质量且经过良好分类，因为受污染或混合的塑料废弃物会抑制微生物的处理过程。这可以通过确保消费者清楚标注标签、改进分类技术和良好的收集系统来实现，后者需要公众教育的辅助。有效的政策框架也至关重要，如对循环设计的激励措施、延伸生产者责任计划和优先采购使用回收或生物升级循环材料制造产品的政府采购政策。另一个关键要素是跨价值链协作。设计可由微生物处理的材料是化学家的任务，工程师和微生物学家负责优化处理系统，废物管理组织负责制定新的收集和处理策略，制造商和零售商负责消费者参与和循环产品市场需求的创造。在这些领域的集体行动是使微生物技术从有前景的解决方案阶段迈向实际应用阶段、推动可持续循环经济唯一途径（Schipfer et al., 2024）。

微生物方法向循环生物经济转型的成功依赖于清洁且一致的生物塑料废弃物流的可用性。然而，在消费后生物塑料的收集、分类和纯化方面仍存在挑战。从物流角度来看，大多数市政废物系统无法将生物塑料与普通塑料、食物废物和其他废物分开收集，这被称为共同处置。消费者对处置说明的困惑以及缺乏标准化标签系统（Ginige et al., 2026）进一步加剧了这一问题。从经济角度来看，收集、运输、分类、清洗和预处理的成本可能相当可观。虽然生物塑料废弃物的微生物转化可能以低价甚至负值获得，但为获取微生物转化所需质量的原料所做的投资可能会大幅降低工艺盈利能力。这些成本在要生产的产品是利润微薄低价值商品时尤为突出（Operato et al., 2025）。从技术角度来看，区分聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHAs）和淀粉基共混物等生物塑料与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等传统塑料是极具挑战性的。某些生物塑料不易分类，且肉眼无法与化石基塑料区分。使用混合聚合物流会减缓酶的降解过程，降低微生物转化效率并导致不可预测的收率。因此，正在研究使用先进分类技术，如近红外光谱、高光谱成像、自动化传感器系统和基于机器学习的分类，以提高原料纯度。然而，实施这些技术需要大量的基础设施投资，且许多废物管理系统尚未获得支持（Operato et al., 2025）。

需要建立支持向生物塑料可持续管理转型并将材料创新与循环生物经济联系起来的治理结构。可降解和生物基塑料的使用已得到认可并受到广泛关注，但其环境优势将强烈依赖于塑料回收和最终处置的现行政策和管理体系。因此，良好的治理对于通过生物塑料的使用促进资源效率、废物减少和可持续性至关重要（Foschi et al., 2023）。延伸生产者责任（EPR）是提高塑料废物管理的有价值政策工具之一。EPR方案涉及赋予生产者在产品被消费者使用后对其进行收集、回收、再利用和处理的职责。这些方案可以激励制造商在设计产品时考虑其最终处置用途，以及开发更容易回收和再加工的材料。对于生物塑料，EPR可以帮助为收集系统、分类和回收过程提供资金，并推动标准化材料配方和标签实践的采用（Ogwu et al., 2025）。循环生物塑料治理的一个重要方面是建立废物管理层次结构，以保留资源和回收价值为重点。再利用、回收、解聚和微生物升级循环是可以帮助延长材料寿命并从废物流中回收有价值资源的一些解决方案。这些方法可以与传统的最终处置回收方法结合使用，利用生物塑料作为生产新化学品、生物材料或工业产品的原材料。微生物增值技术可以纳入废物管理系统中，进一步促进闭环系统的建设，使材料能够更长时间地发挥生产价值（Foschi et al., 2023）。良好的政策制定——标准化认证方案、统一标签要求、押金返还制度和源头分类收集系统——有助于提高原料质量并减少回收流的污染。此外，环保调节EPR费用、税收激励和创新资金等经济措施有助于加速先进回收和升级循环技术的采用。这些行动可能有助于弥合实验室创新与商业化之间的差距（Yusuf and Ojedokun, 2024）。合理的治理结构需要基于系统方法，将所有元素联系起来：材料设计、消费者行为、废物管理基础设施和生物技术创新。通过监管和创新，政策制定者可以帮助塑造具有韧性的循环生物塑料价值链，这些价值链在资源使用上最为高效并减少环境影响（Yusuf and Ojedokun, 2024；Ogwu et al., 2025）。

**结论**

要从线性处置模式转向生物塑料的循环生物经济，需要转变观念，将废物视为资源而非有终点的废弃物。微生物生物技术、酶工程和合成生物学已显示出利用生物塑料进行降解、解聚和升级循环转化为有价值产品的潜力，如平台化学品、生物聚合物和生物基材料。这些进展为生物塑料的转型提供了坚实的科学基础。

**作者贡献声明**

Oluwafemi Adebayo Oyewole：撰写——审稿与编辑、监督、概念设计。Oloruntoba Samuel Job：撰写——初稿撰写。Kasim Sakran Abass：撰写——审稿与编辑、验证、资源。Naga Raju Maddela：撰写——审稿与编辑、软件。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Oluwafemi Adebayo Oyewole | Oloruntoba Samuel Job | Kasim Sakran Abass | Naga Raju Maddela