《Biotechnology Advances》：Advances and challenges in enzymatic rubber degradation: Exploring genetic, molecular, and biotechnological aspects
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橡胶废弃物生物降解研究进展及挑战，探讨硫化橡胶复杂成分导致微生物降解困难，分析橡胶氧化酶（Rox）的多样性、基因转录调控机制及下游氧化过程，指出生物转化作为酶法升级循环的潜力，但需解决技术障碍和规模化难题。
罗德里戈·安德勒（Rodrigo Andler）| 笠井大辅（Daisuke Kasai）
智利马乌莱天主教大学（Catholic University of Maule）生物技术工程学院，自然资源生物技术中心（CENBio）
摘要
橡胶废弃物是当今最难以处理的固体废弃物之一，主要表现为报废轮胎。虽然天然橡胶具有生物降解性，但许多轮胎成分不具备这一特性，这使得微生物难以对其发动酶促降解。尽管多种细菌和真菌具有强大的多酶催化能力，目前仍不存在能够有效降解硫化轮胎废弃物的生物或酶。然而，生物技术在橡胶降解方面的进展为这一问题带来了新的解决途径。本文还探讨了橡胶氧合酶的多样性、相关基因的转录调控机制以及寡异戊二烯醛的后续氧化过程。这种生物转化方式被视为橡胶废弃物的潜在酶促升级利用方法。尽管在分子和生物工艺层面已取得显著进展，但要实现高效且可扩展的降解过程，仍需解决若干关键技术障碍。
引言
技术的发展以及汽车行业的当前需求导致了相关废弃物的累积，尤其是报废轮胎（ELTs）。据估计，全球每年有13亿至15亿吨轮胎被丢弃，其中约75%堆积在垃圾填埋场（Ferdous等人，2021年）。轮胎废弃物带来了诸多问题：（1）大量废弃物缩短了垃圾填埋场的使用寿命；（2）露天焚烧这些物质会释放一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）等污染物，以及多环芳烃（PAHs）和挥发性有机化合物（VOCs）；（3）蚊子和啮齿动物等病媒可能与这些废弃物有关；（4）轮胎磨损产生的微粒（TWP，直径小于5毫米）会在驾驶过程中（尤其是在加速和制动时）通过轮胎与路面的接触释放到环境中。这些橡胶微粒已存在于各种环境中，包括北极深海沉积物中（Evangeliou等人，2020年）。据估计，TWP占海洋中塑料总量的5%–10%（Jan Kole等人，2017年）。最新研究表明，橡胶颗粒的浸出过程也会向海岸释放有毒化学物质，高浓度的橡胶颗粒会对海洋桡足类动物造成致命影响（Halsband等人，2020年）。
目前，报废轮胎主要采用机械、化学和热处理方式进行回收。其中，研磨技术受到广泛关注，旨在减少废弃物体积并用于制造新材料或混合物。虽然大多数粉碎工艺产生的颗粒直径在100至200毫米之间，但低温研磨和湿法研磨等技术可生产出更小的颗粒（Bockstal等人，2019年；Formela，2021年）。热解工艺（在无氧条件下，温度为500–950°C）在橡胶资源化方面具有巨大潜力，可产生热解油、气体和炭黑等有价值产品（Arabiourrutia等人，2020年；Williams，2013年）。尽管这些工艺效率较高且可扩展，但存在环境影响大、基础设施成本高和能耗高的缺点。生物技术方法，尤其是生物降解或生物转化技术，提供了一种替代方案。目前，硫化轮胎的有效降解尚未实现，相关研究主要集中在天然橡胶或合成聚异戊二烯橡胶上。利用细菌进行生物降解时，橡胶氧合酶在细胞外发挥作用，并将寡异戊二烯类化合物引入细胞内。尽管对这些酶的分子机制已有深入研究，但未来应用中仍需进一步整合优化降解效率。同时，缺乏针对报废轮胎降解策略的研究，这限制了实际废物处理中的知识应用。本文全面综述了橡胶降解技术的最新进展，重点介绍了橡胶氧合酶的相关内容，探讨了生物降解的潜力及其在处理复杂成分的硫化橡胶时所面临的挑战。
章节摘录
轮胎的结构复杂性对降解过程的限制
轮胎的成分因用途不同而有所差异，乘用车轮胎与卡车轮胎之间存在差异。此外，为满足湿滑牵引力、滚动阻力和耐磨性等关键性能要求，轮胎成分不断更新。不过，其基本组成较为固定：橡胶聚合物占比40%–50%（质量分数），其次是炭黑、金属、纺织品和添加剂。
橡胶氧合酶（Rox）与乳胶清除蛋白（Lcp）的比较与进化研究
本章讨论的微生物酶主要针对未硫化的天然橡胶进行研究。硫化橡胶和复合材料的降解仍是未来研究的重点课题。已知负责天然橡胶降解的酶（如Lcp和RoxA、RoxB、RoxC）能够切割顺式-1,4-异戊二烯。阐明这些酶的基因结构及其调控机制对其实际应用至关重要。
聚顺式-1,4-异戊二烯降解基因的转录调控及其生物技术意义
高效生产聚顺式-1,4-异戊二烯降解酶（如Lcp、RoxA和RoxB）不仅依赖于编码基因的存在，还取决于其转录调控。我们在这些基因的转录调控机制方面取得了重要进展。当聚顺式-1,4-异戊二烯作为底物时，lcp基因的表达显著增强。
聚顺式-1,4-异戊二烯降解过程中寡异戊二烯醛的氧化
在微生物降解聚顺式-1,4-异戊二烯的过程中，Lcp等酶会生成含有醛基团的低聚物作为中间代谢产物。这些醛类化合物进一步氧化为羧酸是实现天然橡胶完全分解和吸收的关键步骤，该过程主要由细胞内醛脱氢酶（ALDHs）和膜相关酶介导。
生物技术技术在橡胶降解方面的主要成就
目前多数研究集中在天然橡胶的主要成分——聚顺式-1,4-异戊二烯的降解上（Andler，2020年）。Lcp、RoxA和RoxB能够降解天然橡胶和合成橡胶中的该聚合物（Jendrossek和Birke，2019年）。从生物工艺角度看，这些酶的主要区别在于其切割方式。Lcp产生的寡异戊二烯类化合物的质量分布范围较广（最低浓度为304克/摩尔）。
橡胶生物降解的当前与未来挑战
与塑料废弃物相比，轮胎的降解和回收面临更多挑战，尤其是其疏水性及非塑料成分（如添加剂和增塑剂）的存在，这些因素成为生物降解的瓶颈（Bergesson等人，2024年）。因此，尽管已付出诸多努力，高效回收轮胎废弃物仍面临困难。
结论
分子生物学和生物技术方法在橡胶材料处理方面的进展使我们深入了解了橡胶氧合酶的作用机制及其降解潜力。Lcp作为模型生物催化剂，实现了聚顺式-1,4-异戊二烯向寡异戊二烯类化合物的高转化率。这些降解产物为新型产品的开发提供了重要基础。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢智利国家科学技术发展委员会（ANID）提供的Fondecyt资助（编号：1230313）。
