《Environmental Research》：Mechanisms and Optimization Strategies for Surfactant-Mediated Enhancement of Enzymatic Hydrolysis of Poly(ethylene terephthalate)
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本研究系统评估了SDS、CTAB、DRL、LAB和PEG300对HiC酶催化PET降解的影响，发现4% PEG300使低/高结晶度PET降解率分别提升60.23%和59.28%。通过实验与分子动力学模拟结合，揭示了PEG通过调节表面亲水性、增强酶活性和稳定性提升降解的机制，提出通用界面调控策略。
Jundan Feng|Yujie Wang|Yuzheng Lu|Cavaco-paulo Artur|Jiajia Fu
江南大学功能性纺织品工程技术研究中心，中国无锡市蠡湖大道1800号
摘要：
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）污染已成为全球性的环境问题，而酶促水解是一种绿色且可持续的解决这一污染的方法。为了提高酶促PET水解的效果，本研究系统地比较了五种常见表面活性剂——十二烷基硫酸钠（SDS）、溴化鲸蜡基三甲铵（CTAB）、二鼠李糖脂（DRL）、月桂基甜菜碱（LAB）和聚乙二醇（PEG300）对Humicola insolens角质酶（HiC）催化的PET水解的影响，这些PET具有不同的结晶度。结合实验和计算方法，阐明了表面活性剂调控酶促PET水解的内在机制。实验结果表明，SDS和CTAB抑制了PET的水解，而DRL和LAB则略微促进了水解。值得注意的是，4%（w/v）的PEG300使低结晶度PET和高结晶度PET的降解率分别提高了60.23%和59.28%，相较于仅使用HiC的情况。后续关于表面润湿性、酶稳定性和分子模拟的研究表明，PEG通过调节PET界面处的亲水性以及HiC的活性和稳定性来增强酶促水解。本研究提出了一种通用且高效的界面调控策略，为开发酶保护剂和推进绿色可持续的PET水解技术奠定了基础。
引言
由于其优异的物理化学性质，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）被广泛应用于包装、纺织品和日常用品中。然而，许多国家尚未实施有效的废物管理系统，这导致PET废物的回收和再利用不足。因此，大部分PET废物进入环境并持续累积。鉴于PET本身的难降解性，它已成为全球塑料污染的主要来源之一（Silva等人，2024年）。在自然环境中长期作用下，PET通过风化、太阳辐射和微生物作用会分解成微塑料（Luan等人，2022年）。这些微塑料可以通过大气和食物链进入人体，其生物累积效应可能对人类健康造成潜在危害（Huang等人，2020年；Mitrano等人，2021年）。因此，迫切需要修复受PET污染的环境。在中国追求“双碳”目标的背景下，开发绿色可持续技术以解决PET污染问题至关重要。目前，机械和化学处理方法主导着PET废物的处理，但它们对环境具有较大危害（Meys等人，2020年；Pu等人，2023年；Sun等人，2023年）。相比之下，生物方法更为温和且环保（Zhang等人，2024年）。已有研究表明，包括脂肪酶、羧酸酯酶和角质酶在内的一系列酶能够催化PET的水解（S. Feng等人，2024年；Ronkvist等人，2009年；Swiderek等人，2023年；Ulaganathan等人，2024年）。
角质酶具有典型的α/β水解酶结构，其活性位点暴露在溶剂中（Lee等人，2024年）。它们不仅能催化短链和长链脂肪酸酯的水解，还能催化不溶性的大分子植物角质质。由于底物特异性广，角质酶被归类为多功能水解酶（Taxeidis等人，2024年）。先前的研究表明，角质酶对无定形聚酯具有较高的活性（Carniel等人，2017b）。例如，Shi等人证明角质酶可以完全水解聚（丁酸-对苯二甲酸）酯（Shi等人，2020年）。然而，它们对结晶度PET的催化效率仍然不够理想（Thomsen等人，2023年）。在一个2毫升的酶促水解系统中，40毫克PET织物经过72小时孵育后，仅回收到0.08毫克的降解产物（Fu等人，2024年）。为了提高角质酶对结晶度PET的催化性能，研究人员对酶和底物进行了大量优化。酶工程改造是一种有效的方法，但成本较高且存在不确定性（Richter等人，2023年）。研究表明，通过粉碎PET制备的微粒化PET有利于酶促水解（Pellis等人，2016年）。此外，在酶体系中添加表面活性剂可以促进功能化和活化的酶吸附到PET表面（Zheng等人，2024年）。表面活性剂具有两亲性，其疏水部分与PET聚合物链相互作用，而带电的亲水部分则将酶从水溶液中引入（Durkin等人，2023年）。Eberl等人证明表面活性的PET寡聚物可以促进酶促水解（Eberl等人，2009年）。类似地，有研究报道添加非离子表面活性剂Triton X-100可以增强角质酶催化的PET织物水解（Lee和Song，2010年）。这些发现证实了使用表面活性剂改善角质酶介导的PET水解的可行性。
与其他方法相比，使用酶添加剂可以实现一锅法酶促水解，这是一种便捷、绿色且环保的方法。以往的研究主要集中在非离子表面活性剂在调节模型PET样品水解中的作用，以及对PET织物进行亲水改性方面。本研究首次系统地评估了五种表面活性剂对两种不同结晶度PET水解的影响，整合了多种机制，包括润湿性、酶活性和稳定性、吸附特性以及分子动力学。具体而言，使用了低结晶度PET（约7.89%，LC-PET）和高结晶度PET（约22.70%，HC-PET：此处“高结晶度”是相对于LC-PET而言的，而非PET行业标准）。本研究评估了十二烷基硫酸钠（阴离子型，SDS）、溴化鲸蜡基三甲铵（阳离子型，CTAB）、二鼠李糖脂（生物来源，DRL）、月桂基甜菜碱（两性离子型，LAB）和聚乙二醇（聚合物型，PEG300）对HiC介导的PET水解的影响。此外，通过实验和计算分析阐明了PEG增强PET水解的机制。
材料与试剂
低结晶度聚酯（结晶度约7.89%，记为LC-PET）和高结晶度聚酯（结晶度约22.70%，记为HC-PET）由东莞金泰新材料科技有限公司提供。4-硝基苯酚丁酸酯（pNPB）购自Sigma-Aldrich（美国圣路易斯）。对苯二甲酸（TPA）、双(2-羟乙基)对苯二甲酸酯（BHET）和单(2-羟乙基)对苯二甲酸酯（MHET）购自Macklin生化科技有限公司（中国上海）。十二烷基硫酸钠……
表面活性剂类型和浓度对LC-PET和HC-PET水解的影响
选择了五种常见的表面活性剂，包括SDS、CTAB、DRL、LAB和PEG300（分子结构见图S3）。根据初步实验，表面活性剂的浓度范围设定为0.001–0.1%（w/v）。然而，在此浓度范围内，PEG300对PET酶促水解的促进效果不明显，因此将其浓度范围扩大到0.5–8%（w/v）。随着SDS和CTAB浓度的增加（图1a和2a），水解产物的释放量……
结论
总结来说，本研究创新性地使用了两种结晶度不同的PET作为底物，系统地评估了五种表面活性剂对HiC催化的PET水解的影响，从而确立了一种提高酶促水解效率的策略。通过结合实验表征（如润湿行为、酶稳定性和吸附性质）和计算方法（如分子对接和分子动力学模拟），……
作者贡献声明
Yuzheng Lu：指导。 Cavaco-paulo Artur：方法学设计、概念构建。 Jiajia Fu：指导、方法学设计、资金申请。 Jundan Feng：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、数据分析、概念构建。 Yujie Wang：指导、数据管理未引用参考文献
Hromic等人，2014年；Feng等人，2024年；Silva Cazella等人，2024年。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
数据可用性
数据将应要求提供。
利益冲突声明
?作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Jiajia Fu报告称获得了中国国家重点研发计划的支持。Jiajia Fu报告称获得了江苏省政策引导计划-国际合作项目的支持。报告存在……专利申请中。如果有其他作者，他们也进行了相应声明。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2019YFA0706900）和江苏省政策引导计划-国际合作项目（BZ2020010）的资助。
