《Journal of Hazardous Materials》：Enzyme-Programmed Cellulose Nanocrystal Interfaces: Regulating Degradation Microenvironment and Plant Growth of Polylactic Acid Films
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PLA降解加速策略通过酶-纤维素纳米晶体界面设计实现，促进可控生物降解与植物生长，环境效益显著。
聂若曦|索米娅·亚辛·侯赛因·阿卜杜卡里姆|吴布南|季海斌|陈朝培|黄海成|余厚勇
浙江科技大学生物基纤维材料国家重点实验室，中国杭州310018
摘要
基于石油的塑料由于其不可生物降解性，是全球环境污染的重要来源。聚乳酸（PLA）作为一种生物基且可生物降解的聚合物，似乎是一个有前景的替代品。然而，PLA的降解速率较慢，并且会形成持久的残留物，这限制了其在农业中的实际应用。通过设计稳定的催化剂（如通过固定化策略），可以加速PLA的降解。酶载体可以微调周围的微环境，从而增强酶与底物之间的相互作用。在这里，我们首先设计了一种酶-纤维素纳米晶体界面，以调节聚乳酸（PLA）薄膜的降解过程。通过将蛋白酶K（ProK）接枝到羧基化的纤维素纳米晶体（HSCNC）上，并将所得的Pro-HSCNC掺入PLA基体中，开发出了一种复合材料（PCPro），该复合材料在保持ProK酶活性的同时，表现出更高的结晶度和机械强度。Pro-HSCNC不仅有效地引入了多个降解位点，还增强了水分保持能力和微生物生长，从而积极管理局部环境，实现更快、更可控的降解。结果表明，在土壤中，PCPro在120天内可降解29.5%，同时还能促进植物生长，其降解性能超过了大多数PLA复合材料。对PCPro的生命周期评估（LCA）显示，与传统PLA相比，其对环境的影响显著降低。这项工作介绍了一种新的方法，通过酶-纤维素界面相互作用，设计出具有可编程降解行为的酶活性生物聚酯基材料。
引言
自20世纪大规模工业化生产以来，塑料因其多功能性和良好的物理化学性质而变得不可或缺[1]、[2]。预计到2050年，全球塑料产量将达到340亿吨[3]；根据当前的废物管理实践，基于模型的评估估计每年约有5210万吨塑料废物被释放到自然环境中[4]。然而，传统的基于石油的塑料（如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）具有极强的持久性，导致了严重的、长期的环境污染。这些塑料分解成微塑料后，会广泛进入食物链，对生态系统和人类健康构成重大且日益严重的威胁[5]、[6]。这些关键挑战凸显了迫切需要环境友好、可生物降解的替代品，以支持可持续发展并减轻塑料污染[7]。PLA是一种来自可再生资源的可生物降解聚合物，由于其明确的结构和成熟的加工技术，已被广泛研究作为传统塑料的可持续替代品[8]。然而，它的降解性高度依赖于条件。在海水、土壤、垃圾填埋场和家庭堆肥系统等自然环境中，由于微生物和水解作用的有限性，PLA产品可能会持续存在数十年[9]、[10]。相比之下，在通常涉及较高温度（约58℃）、优化湿度和特定微生物活性的受控工业堆肥条件下，PLA可以在大约180天内完全分解[11]。然而，实现和维持这些工业堆肥参数既昂贵又在技术上具有挑战性，限制了其大规模应用。因此，PLA市场的持续扩张可能导致全球PLA废物的大量积累。此外，在土壤和水生生态系统中，PLA的缓慢降解速率及其较低的结晶度和固有的脆性严重限制了其环境效益。不完全降解常常导致持久的微塑料的形成，从而成为污染的二次来源，损害了其所谓的可持续性和环保性[6]。
酶催化降解提供了一种环保的方法来加速PLA的解聚[12]。PLA的降解主要由诸如角质酶、脂肪酶、ProK和酯酶等酶介导，这些酶催化聚合物主链中的酯键水解。其中，ProK对PLA的催化效率特别高，表现出显著的塑料降解能力[14]、优异的热稳定性[15]以及对复杂环境条件的强耐受性[16]。然而，天然酶通常具有较差的热稳定性和pH稳定性，并且对疏水性PLA表面的亲和力有限，导致加载效率低和酶流失[17]、[18]。值得注意的是，大多数关于PLA降解的研究都是在受控的实验室或工业堆肥条件下进行的，而PLA产品（如农业覆盖物、包装材料或其他与土壤接触的应用）主要暴露在自然环境中，包括开阔的农田、具有活跃根系的土壤和水生生态系统，在这些环境中降解过程要慢得多。因此，通过开发基于酶的方法可以克服这些缺点，加速PLA的解聚，同时丰富能够进一步生物降解的天然微生物群落。在这种现实条件下，降解速率和副产物形成的不确定性可能会增加长期持久性和意外生态相互作用的风险，包括对植物生长的潜在影响[19]、[20]。这种差异强调了在环境相关条件下开发和评估降解策略的必要性。
值得注意的是，纤维素纳米晶体（CNCs）作为改善PLA性能的理想增强剂受到了广泛关注。它们出色的机械强度[21]、高长宽比[22]以及丰富的表面羟基使得在聚合物基体中实现强界面相互作用和高效应力传递成为可能[23]。此外，CNCs可以作为异质成核剂，有效提高PLA的结晶度，从而增强其机械强度和热稳定性[24]。因此，将高活性的天然酶与CNCs的结构和界面优势结合起来，为克服可生物降解聚合物当前的性能限制提供了一种有前景的策略。
本研究旨在阐明聚乳酸（PLA）、HSCNC和Pro-K酶之间的协同相容性，以推进本质上的自降解复合材料的发展。它重点关注Pro-HSCNC界面相互作用，这些相互作用调节局部微环境，增强PLA的解聚，并揭示在真实土壤条件下的关键降解机制。基于这些见解，本研究首先设计了一种创新的酶-纤维素纳米晶体协同策略，其中农业废弃物秸秆被用作合成羧基化纤维素纳米晶体（HSCNC）的可持续原料。HSCNC与ProK共价固定形成Pro-HSCNC；然后通过强氢键相互作用将Pro-HSCNC掺入PLA中，形成PCPro复合材料（图1a）。这种协同方法利用ProK上的丰富氨基增强与PLA的界面结合，从而提高复合材料的机械强度和热稳定性。同时，ProK促进的酶活性和微生物富集加速了材料的降解（图1b），而保留的酶功能在降解后进一步促进了植物生长（图1c）。总体而言，这项工作为开发高性能、可控降解且促进植物生长的生物基复合材料提供了可持续的途径，有助于进一步高价值利用农业废弃物。
材料
次氯酸钠（NaClO）、草酸（H?C?O?）、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、Tris-HCl缓冲液、酪蛋白、荧光素异硫氰酸酯（FITC）、碳酸钠（NaHCO?）、氯仿（CHCl?）和硫酸（H?SO?, 98%）均从Aladdin Biochemical Polytron Technologies Inc（中国上海）购买。三氯乙酸（TCA）由Macklin Biochemical Technology Inc（中国上海）提供。二甲基亚砜（DMSO）也由该公司提供
HSCNC和Pro-HSCNC的微观结构
图1a显示了HSCNC的表面形态，其具有棒状纤维结构，宽度为18.7 ± 4.3纳米，长度为236.7 ± 17.8纳米（图S1）。从XRD图谱（图S2）可以看出，HSCNC在2θ角度16.5°和22.6°处显示出衍射峰，对应于（110）和（200）晶面[28]，表明存在纤维素I。相比之下，Pro-HSCNC（图1b）在接枝后表面和形状发生了变化，从光滑变为粗糙，宽度增加到35.1纳米
结论
在这项工作中，我们构建了一种由秸秆衍生的HSCNC制成的酶激活纤维素纳米晶体界面（Pro-HSCNC），并将其掺入PLA中形成PCPro复合材料。这种酶驱动的界面有效地调节了局部降解环境，实现了可控的水解和增强的生物活性。与纯PLA相比，PCPro在土壤中降解速度显著更快（120天后残余质量为70.5%，在海水中为90.5%），并且促进了植物生长。这项研究强调了...
环境影响
不可生物降解的基于石油的塑料的积累引发了严重的环境问题，包括微塑料污染和土壤污染。为了解决这个问题，本研究提出了一种新的复合材料，该复合材料由酶-纤维素纳米晶体制成，并加入了聚乳酸（PLA），其中含有蛋白酶K以促进环保降解。酶与纤维素纳米晶体之间的界面相互作用显著加速了PLA在土壤中的生物降解，使得...
CRediT作者贡献声明
索米娅·亚辛·侯赛因·阿卜杜卡里姆：撰写——审稿与编辑，资源准备。吴布南：资源准备，方法学。季海斌：资源准备，方法学。陈朝培：资源准备，方法学。黄海成：资源准备，方法学。余厚勇：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。聂若曦：撰写——初稿，方法学，正式分析，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（52273095）和浙江省重点研发计划（项目编号2024C03224）的支持。
