综述：酶促塑料解聚：从实验室的憧憬到循环经济的现实

《Biotechnology Advances》：Enzymatic plastic depolymerization: From lab promise to circular reality

　　奥萨玛·阿卜杜拉·阿卜杜勒沙菲·穆罕默德（Osama Abdalla Abdelshafy Mohamad）、塔梅尔·埃尔萨马希（Tamer Elsamahy）、刘永红（Yong-Hong Liu）、李旭瑞（Xurui Li）、李帅（Shuai Li）、戈文丹·拉吉夫甘迪（Govindan Rajivgandhi）、张远明（Yuanming Zhang）、李文军（Wen-Jun Li）

中国科学院新疆生态与地理研究所干旱地带生态安全与可持续发展国家重点实验室，乌鲁木齐830011，中国

摘要
全球塑料产量持续增长，但大多数回收策略未能实现真正的循环利用。酶促塑料解聚被广泛推广为一种可扩展的解决方案。然而，其在现实世界中的潜力仍不明确。本综述批判性地分析了为什么许多酶法在实验室中有效，但在应用于异质性的消费后塑料废物时却无法发挥作用。跨聚合物和工艺的证据表明，酶促解聚从根本上受到聚合物化学性质的限制，而非酶的可用性。具有可水解骨架的塑料可以实现真正的解聚和闭环单体回收。相比之下，主要的聚烯烃基本抵抗酶的攻击，据报道的效果仅限于表面氧化，并未验证链断裂。许多所谓的进展依赖于间接测量、原始底物或非生物预处理，高估了其对实际废物流的相关性。尽管酶工程和人工智能/机器学习（AI/ML）指导的设计显著提高了对可水解塑料的处理性能，但这些改进常常在稳定性、特异性和成本之间产生权衡，并且未能解决固体-聚合物界面和添加剂带来的关键限制。技术经济分析表明，在有利条件下，优化后的酶促回收可达到每千克1.1-1.8美元的成本。然而，聚烯烃需要综合预处理和混合化学-酶促策略才能实现有意义的增值。综述以一个考虑限制的2030-2040年路线图结束，将酶促回收定位为一种现实但本质上有限的循环塑料经济贡献者。

引言
合成塑料的优异耐用性和化学抗性使其在现代工业中无处不在，推动了全球年产量达到约4.3-4.6亿吨（Bergmann等人，2022年；Shen等人，2025年；Walker，2025年）。同时，这些特性也由于它们的长期稳定性和分解成微塑料和纳米塑料而造成了持续的环境挑战（Elsamahy等人，2023a；Gong等人，2023年）。聚烯烃，如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），占全球塑料产量的一半以上，具有化学惰性的C-C骨架，目前尚无有效的自然生物降解途径（图1）。即使是被认为部分可水解的聚合物，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氨酯（PU），也往往由于高结晶度、明显的疏水性和强的分子间相互作用而表现出有限的酶降解敏感性（Ali等人，2021a；Ali等人，2021b；Lv等人，2024年）。这些聚合物化学特性造成了生物降解的基本热力学、结构和空间障碍。密集的链堆积和低表面可及性阻碍了酶-底物相互作用，而C-C键的化学惰性进一步限制了催化攻击（Medina-Ortiz等人，2025年；Rosini等人，2025年；Wei和Bornscheuer，2025年）。进化出用于分解天然聚合物（如纤维素、木质素和角质素）的酶系统，在适应合成塑料的新颖性和结构抗性方面面临重大挑战。对于聚烯烃而言，实现足够的底物结合和酶活性位点的催化转化是一个主要障碍，因为当前的蛋白质工程努力由于缺乏有效的自然C-C键切割模板而进展有限（Bergeson等人，2024年；Wu等人，2024年）。早在2016年之前，已有研究展示了在温和条件下Thermobifida fusca和Humicola insolens的角质酶对PET的水解作用（Müller等人，2005年；Silva等人，2011年；Stavila等人，2013年），并且在此之前已经有许多专门的研究项目和社区（例如P4SB）在积极推进酶促塑料降解。因此，2016年关于Ideonella sakaiensis的报告（Yoshida等人，2016年）主要是为了激发更广泛的科学和公众兴趣，而不是该领域的起点。然而，I. sakaiensis的天然酶效率相对较低，不具备工业可行性。相反，当前的技术进展依赖于从环境来源鉴定或工程化的更强大的酶，例如从堆肥中提取的角质酶（例如LCC变体），这些酶提供了更好的热稳定性、催化速率和生物技术应用的可扩展性（Arnal等人，2023年；Pfaff等人，2022年；Xue等人，2021年）。

更深层次的问题在于塑料生物降解文献中的方法论碎片化。Wei等人（2025b）指出，不统一的评估方法严重阻碍了酶性能的清晰比较，迫切需要使用统一底物并模仿工业反应环境的标准化指南。报告的效率经常受到非生物预处理（如紫外线照射、热氧化或化学活化）的影响，这些预处理会向原本惰性的聚合物引入反应性官能团，并且通常是通过间接指标（如重量损失或FTIR光谱变化）推断出来的，这些指标无法确认明确的骨架断裂（Jendrossek，2024年；Sandholm等人，2025年）。这导致了过高的期望，在许多情况下，将催化潜力与分析误差混为一谈，特别是当将高度预处理模型底物的结果外推到富含添加剂的异质性消费后塑料废物流时（Jendrossek，2024年；Koller等人，2025年；Suzuki等人，2025年；Wei和Bornscheuer，2025年）。在自然系统中，顽固的生物聚合物如木质素通过协同的氧化-水解级联和空间组织的多酶复合体有效降解，这些复合体增强了底物的可及性和催化协同作用（Chen等人，2020年）。将这些生物启发原理应用于合成聚合物，特别是那些缺乏天然酶入口点的聚合物，仍然是一个未解决的中心挑战。尽管如此，最近的技术进步为解决这些限制提供了有希望的途径。人工智能（AI）驱动的蛋白质设计方法，包括生成蛋白质语言模型和从头酶工程，现在能够探索远超自然进化限制的序列空间（Holst等人，2023年；Jiang等人，2024年）。同时，混合化学-酶促级联和仿生催化系统作为改善聚合物活化、催化通量和底物可及性的策略正在出现。特别是对于具有饱和C-C骨架的塑料（如聚烯烃），化学生物技术过程，其中热化学分解与微生物代谢相结合，现在被认为是高度可行的升级途径（Wei等人，2025a）。更新的技术经济分析（TEA）进一步表明，在有利的工艺条件下，酶促回收在未来十年内可能具有经济可行性，前提是工艺开发考虑了材料的实际特性和操作限制（Knott等人，2020年；Tian，2025年）。尽管取得了这些进展，但在真实材料和工艺限制下对酶促塑料解聚的系统评估仍然缺乏。

尽管最近的综述通过制定标准化指南（Wei等人，2025b）和强调新兴的化学生物技术工艺见解和微生物升级策略（Amalia等人，2024年；Groseclose和Nguyen，2025年；Rosini等人，2025年；Wei等人，2025a；Wei和Bornscheuer，2025年）大大加深了对酶促塑料解聚的理解，但最近的批评观点也强调了需要更严格的塑料生物降解评估和稳健的分析验证（Liu等人，2025年；Zimmermann，2025年）。然而，大多数综述仍然集中在控制实验室条件下的酶发现、优化或特定聚合物类别上。因此，这些方法在应用于异质性、富含添加剂的消费后塑料废物时的可行性仍然没有得到充分讨论。因此，本综述采用了系统级的、考虑限制的视角来评估现实条件下的酶促塑料回收。具体来说，它整合了聚合物化学限制（如结晶度、疏水性和骨架惰性）和现实世界中的消费后废物挑战，如塑料添加剂、混合废物流和工艺限制（如pH管理），以及主要聚合物类别（包括高度顽固的聚烯烃）的降解酶的催化和进化限制。此外，它批判性地考察了可能夸大降解效果的潜在方法论误差，强调需要强有力的证据来证明真正的聚合物骨架断裂，而不是依赖间接代理指标。最后，我们讨论了新兴的解决方案，包括受生物启发的多酶级联和AI指导的酶工程，并提出了一个2030-2040年的前瞻性路线图，将生物创新与更新的技术经济分析和环境现实相结合，从而指导酶促塑料回收朝着可扩展和真正循环的塑料管理方向发展。

**部分摘录**
**主要的合成塑料生物降解酶系统**
合成塑料生物降解通常被描述为一个以酶为中心的问题，但数十年的研究表明，酶活性本身很少决定最终结果。相反，降解性源于聚合物化学、酶催化逻辑、底物可及性以及实际废物流施加的系统级限制之间的复杂相互作用（Coates和Getzler，2020年；Kassab等人，2023年；Wei和Zimmermann，2017年）。认识到这些界限对于……

**酶工程在塑料废物生物降解方面的突破**
塑料降解酶的工程代表了从自然进化到定向优化的范式转变。然而，它在催化潜力、操作稳定性和工业可行性之间面临根本的权衡。如前所述，聚合物化学决定了酶促的可能性。因此，工程策略的成功从根本上受到相同特征的限制（即结晶度、骨架惰性和表面……）

**AI和ML在酶工程中的应用**
传统蛋白质工程的显著进展为AI驱动的更深层次变革奠定了基础。从缓慢的实验室筛选向快速的计算机预测和设计的转变代表了生物催化剂发展的范式变化（Watson等人，2023年）。然而，将这种计算能力应用于塑料降解酶面临的挑战与可溶性底物系统中遇到的挑战不同。与经典酶靶标不同……

**工业转化：技术经济可行性和升级策略**
高性能合成塑料降解生物催化剂的出现标志着一个决定性的科学里程碑。如第3节所述，经过工程改造的变体（例如LCCICCG、FAST-PETase和TurboPETase）展示了在优化条件下的催化可行性。然而，它们在现实世界中的影响取决于从受控实验室环境向经济可行的工业平台的过渡。实现有效的循环利用不再是一个……

**挑战和未来方向**
酶促塑料解聚的工业转化仍然是一个巨大的可持续性挑战。虽然酶促PET回收已经接近技术和试点规模的成熟，但生物催化系统的广泛部署受到技术、经济和环境因素的严格限制。这些限制在聚烯烃上最为明显，聚烯烃在全球塑料废物流中占主导地位，并且由于……

**结论**
酶促塑料解聚已经从实验室好奇心发展成为聚对苯二甲酸乙二醇酯的早期工业应用，但其更广泛的适用性仍然受到聚合物化学的基本限制。当前的酶系统仅能高效地降解可水解的聚合物，如PET和某些聚氨酯，而它们本质上无法切割聚烯烃（PE和PP）稳定的C-C骨架，而这些聚合物占了全球塑料产量的大部分。

**作者贡献声明**
作者感谢第三批新疆科学考察计划（项目编号2022xjkk1200）、国家自然科学基金（项目编号42402306、32050410306、32400004和32000084）、中国中重度盐碱地微生物资源调查及菌种资源库建设（2025FY100500）以及新疆生态与地理研究所的国际科学组织联盟（ANSO）的财务支持。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。