多学科交叉助力废塑料生物法循环回收利用

徐丽洁，刘豪杰，薛瑞，周小力，周杰，2，钱秀娟，董维亮，2，姜岷，2

（1 南京工业大学生物与制药工程学院，江苏 南京 211800；2 南京工业大学材料化学工程国家重点实验室，江苏 南京 211800）

塑料是一种人工合成的有机高分子材料，因其性能稳定、可塑性强、生产成本低等优势，在食品、医药、建筑以及各类日用化学品领域有着广泛应用。近年来，全球塑料产量极具增加。数据显示，1950 年全球塑料产量仅为两百万吨，而到了2019年，塑料产量则达到了惊人的4.5亿吨。与此同时，日益剧增的塑料废弃物也给自然环境带来了极大的威胁。一方面，塑料工业生产全生命周期消耗石油资源并释放大量CO。根据《中国塑料的环境足迹评估》中提供的数据，塑料工业目前消耗了全球8%的石油，其生产和使用环节的碳排放约占全球总碳排放的4%。另一方面，塑料废弃物降解困难，现行的主要处理方式仍是焚烧和填埋，造成严重的资源浪费和生态污染。对全球塑料制品的生产、使用以及最终去向追踪分析发现，自20世纪50 年代初人类大规模制造塑料至今，大约已生产出83 亿吨塑料，其中63 亿吨已成为废弃垃圾。而这些废塑料中被成功回收利用的仅占9%，另有12%被焚烧处理，绝大部分废弃塑料被填埋处理或者直接丢弃。照此趋势，到2050 年，全球废塑料产生量将达到120 亿吨。我国在《“十四五”循环经济发展规划》中明确指出，要大力发展循环经济，推进资源节约集约利用，构建资源循环型产业体系和废旧物资循环利用体系。因此，研究建立废塑料的绿色化、资源化回收路线，对建设“美丽”中国，助力我国“碳达峰、碳中和”伟大目标的实现具有重要意义。

目前，废塑料的主要回收方式是机械回收造粒、化学回收燃油、焚烧回收热能以及生物回收化学品。机械回收造粒过程复杂，对废弃物品质要求高，人力分拣回收成本收入高，同时受技术条件限制，再生塑料品质劣化，因此回收次数有限；化学回收制油对废旧塑料预处理的清洁度、品种均匀性和化学试剂有较高要求，不适合处理混杂型废旧塑料，且回收产品主要是低品质燃油，经济性差；焚烧回收热能过程粗暴，虽可以回收部分热能，但回收过程造成大量温室气体和有毒气体的排放，对大气生态和人类健康造成严重威胁。相比于以上三种废塑料的“降级”回收（downcycle）方式，生物法利用微生物或酶将塑料聚合物解聚为小分子单体，并作为碳源供微生物生长或化学品合成，回收过程环境友好，且产物价值性高，是一种“升级”回收过程（upcycle）。然而，微生物/酶催化塑料解聚与转化作为一种新兴的塑料处理技术，目前仍处于实验室基础研究阶段，塑料解聚和转化的效率十分低下，无法应对实际生活中庞大的废塑料产出量。

总体看来，由于废塑料分布广泛、种类复杂，单一的回收方式很难实现废塑料的高效循环利用。因此，综合利用多种废塑料回收技术，发展微生物学、物理学、应用化学、计算科学等多学科的前沿交叉研究，建立多元化、个性化、交叉化的塑料回收新路线，将“应对产业链末端的塑料垃圾污染治理”转向“建设产业链升级的废塑料资源化回收再利用”的塑料回收新态势，应是未来废塑料治理的重要发展方向。

鉴于此，本文以生物技术为核心，综述了目前生物-物理、生物-化学以及生物-信息等交叉技术在塑料废弃物回收方面的研究进展，并针对性地分析了学科交叉研究中存在的瓶颈，探讨了未来需突破攻克的技术难点，以期为废塑料的高效回收利用提供新的思路和理论指导。

1 生物-物理联用技术

塑料是以乙烯、氯乙烯、苯乙烯、对苯二甲酸（TPA）等单体为原料，通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物。稳定的化学结构、高结晶度以及强大的液体和气体阻隔性能严重阻碍降解菌/解聚酶与塑料的有效接触，降低了塑料与酶结合的能力，从而极大影响了其生物降解性。因此，利用机械粉碎、高温熔融、超声波处理等物理技术对塑料进行预处理以提高其生物解聚效率是目前常用的方法之一（图1）。

图1 塑料物理预处理方法及处理效果

废塑料的机械粉碎是通过降低塑料粒径、增加比表面积，从而提升塑料的物理降解效率，是目前研究废塑料生物回收的重要环节。其实，在自然界中，动物通过咀嚼、胃磨等机械粉碎方式将塑料进行破碎，然后经肠道微生物群落作用完成降解，这一流程是生物与物理方法偶联降解塑料的典型案例。研究表明，多种全变态昆虫的幼虫，如黑粉虫幼虫（）、大麦虫幼虫（）、印度谷螟幼虫（）、小蜡螟幼虫（）和蜡螟幼虫（）等，可以咀嚼和摄食聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）薄膜，然后经由肠道微生物降解，实现塑料到长链脂肪酸等代谢产物的物质转化过程。实验室中对塑料进行机械粉碎，操作更为细致精准，实验结果同样证实了粉碎预处理对于提高塑料降解的重要性。Ravishankar 等研究发现，对PS、聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯（PC）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）进行低能湿磨，可有效减小颗粒尺寸并改变聚合物的形态，当研磨过程中产生的剪切力对聚合物主链的作用积攒到一定程度就会导致链的断裂。Gamerith 等在研究一种细菌聚酯水解酶对聚合共混物中聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的水解性能时，将实验材料粉碎成0.05～0.25mm 的微粒，并探究了酶与塑料接触的有效表面积大小对酶水解效率的影响。结果表明，在50℃条件下，PET酶水解21 天时，0.05mm PET 微粒的TPA 释放浓度比0.25mm PET微粒高2.8倍，0.1mm微粒则比0.25mm微粒高2.4倍。此外，塑料酶解的效率还与温度、材料结晶度等参数有关。通常情况下，高温和低结晶度更有利于塑料的酶解。塑料生物降解的普遍温度为30～40℃，而对于某些耐高温或者超耐热酶系统，温度可提高到70～90℃。在酶解处理结晶型塑料时，使用高温熔融与淬冷结合的处理方式可降低其结晶度，促进后续酶解效率。熔融温度应设置为高于塑料熔融温度10～30℃，此时塑料内部分子结构处于无定形状态；淬冷处理温度则需小于塑料本身的玻璃化转变温度，冷却过程中塑料来不及结晶，使得无定形状态得以保持。然而，目前塑料的物理处理方法尚不成熟，处理大批量的塑料时，机械粉碎以及温度调控等工艺需要消耗大量能源。在产业化应用阶段，还需根据实际情况来调整处理时长及处理温度等参数以达到最大程度的低成本、高处理效率。

聚烯烃类塑料主链以C—C 键为骨架，与主链中含有酯键、酰胺键等可水解化学键的塑料相比，更难被生物降解，典型代表有PE、PS、聚丙烯（PP）以及聚氯乙烯（PVC）等。对于这类塑料，可以通过紫外线照射或超声技术来改变结构，以此提高其生物降解性。紫外线技术可通过自由基机制介导的方式向聚烯烃结构中引入活性氧基团等，为酶或微生物的降解活动创造条件。而高分子聚合物暴露于高能超声波下可导致聚合物链的局部降解，进而导致永久性黏度降低，这一特性可促进塑料解聚酶与塑料断裂后裸露的化学键接触，从而提高塑料的生物降解性。此外，紫外线和微波技术被证明可以有效消灭废弃塑料中有害病原菌，减少环境中其他菌株对于塑料后续生物降解反应体系的干扰。研究表明，微波灭菌可以杀灭各类细菌繁殖体、真菌、病毒、细菌芽孢等。在2450MHz、500W 微波条件下，大肠杆菌、金黄色葡萄球菌被杀灭仅需2min，枯草黑色变种芽孢需要5min。Zhou等通过扫描电子显微镜证实了微波能有效分解城市污泥中革兰氏阴性菌的细胞壁，由此可推测如果废弃塑料所处环境以革兰氏阴性微生物为主，则该技术具有一定实用性。

2 生物-化学联用技术

化学法是当前废塑料处理中较为常见的方法，主要包括水解、醇解、热解、催化裂解等。高聚合的塑料经过化学处理可以转化为低分子量的低聚物或单体，从而更易被微生物降解和吸收代谢（图2）。

图2 塑料的化学解聚与生物转化

水解法和醇解法常用于聚酯型塑料，如PET、聚氨酯（PU）、PLA等，其中甲醇解法曾经应用于PET的工业化回收。近年来，通过合成生物技术设计的微生物细胞工厂，利用PET水解产物（主要为TPA 和EG）为底物合成多种高值化学品，如聚羟基脂肪酸酯（PHA）、乙醇酸、乙醛酸、鼠李糖酯等也已取得丰硕成果。PET的水解可在中性、酸性和碱性三种条件下进行，中性水解通常使用水或者水蒸气，水解过程污染较小但产物纯度低，而酸性和碱性水解需要用到浓硫酸、氢氧化钠或者氢氧化钾等强酸强碱溶液，水解产物纯度虽高但存在腐蚀设备等问题。醇解法则主要有甲醇醇解法和二元醇醇解法。在一定的温度与压力下，甲醇可将PET 解聚为对苯二甲酸二甲酯（DMT）和EG，反应时需要加入少量醋酸盐催化剂。二元醇醇解法用到的试剂种类多样，其中最典型的是乙二醇。在链交换催化剂作用下，PET的酯键发生断裂被羟基取代，被乙二醇解聚为对苯二甲酸乙二醇酯（BHET）和EG。醇解法对反应条件要求较高，且产物中会含有解聚不完全的低聚物，分离纯化有一定难度。此外，水解法和醇解法在使用过程中需要消耗大量的试剂，随之产生的高昂成本也对大规模工业化造成了一定的阻碍。针对水解以及醇解法存在的局限，研究人员不断摸索，开发出了许多新型化学解聚方法，如超临界/近临界解聚法、离子液体解聚法等。

聚烯烃塑料，如PE、PS、PP 等，结构致密，C—C 键能垒高，利用化学技术将聚烯烃塑料裂解为中短碳链的烃类混合物，再耦合生物法将这些混合解聚物进行高值转化许是聚烯烃废塑料回收的一条可行之路。目前，国内外科技人员已在聚烯烃的化学裂解方面开展了大量研究，通过热解、催化热解、催化氢解等技术，将聚烯烃塑料解聚为主要组分是混合烃的油状或蜡状物质。Zhang 等通过构筑铂负载的γ-氧化铝催化剂，在280℃下基于串联氢解/芳构化反应将废弃PE转化为平均链长约30个碳原子且产率为80%的长链烷基芳烃和烷基环烷酸酯。而若要将塑料解聚物用于生物转化，其组分构成是关键一环，这关系到后续微生物能否利用。聚烯烃经化学裂解后得到的产物组分复杂，相较于固态和气态产物，很显然液态产物更适合微生物生长。因此，为了能够获得尽可能多的液态产物，实现塑料的化学定向解聚至关重要。Tennakoon等根据酶催化大分子转化的加工机制，设计研发了一种二氧化硅介孔底部负载铂纳米颗粒的氢解催化剂（mSiO/Pt/SiO）。实验结果表明，高密度聚乙烯（HDPE）材料经过该催化剂介孔间隙进行氢解反应，最终可形成一系列分布较窄的可调节的液体烷烃流。还有研究从化学键的活化断裂角度入手，通过控制塑料内部化学键结构的选择性断裂，实现裂解产物的定向调控。此外，催化剂的种类也会影响裂解物的组分。Burange 等采用沸石、金属氧化物、硅酸盐等催化剂热解主要成分为HDPE的塑料袋，得到了饱和脂肪烃混合物，其化学热解产物液态油占74%，气体占9%，固体残渣占17%。化学催化剂定向解聚技术的不断发展，使得通过催化反应将聚烯烃塑料转化为目标碳链长度范围的混合液态烃，并通过微生物利用进一步转化为高值化学品这一塑料转化策略更具可行性。目前，关于能利用混合烃的微生物已有很多报道，在石油污染环境的微生物修复领域，已分离出200多种有降解石油烃污染物能力的微生物，包括细菌、真菌和藻类等，这为后续将塑料裂解产物转化为高值化学品提供了丰富的生物资源储备。

然而，塑料的化学解聚产物组分复杂，部分组分无法被微生物利用，甚至对微生物存在毒性。针对这一问题，未来可从以下两个方面进行深入探索。一方面，发展化学定向解聚技术，调控塑料解聚产物组分。通过对化学反应中催化剂构型、催化条件等进行优化调整，提高塑料解聚产物中微生物可用组分的占比。另一方面，需加强微生物底盘选育工作，提高菌株对塑料解聚产物的利用能力。①自然选育，从塑料填埋场、垃圾焚烧站等周围环境中筛选塑料解聚物利用谱宽、耐受性强、培养简单的微生物。②人工诱变选育，利用物理、化学或基因工程等方法，对目标底盘进行高通量选育和定向改造，获得可以满足要求的优良突变菌株或改造菌株。③混合培养，针对塑料解聚体系内的物质组成情况，选用能代谢这些物质的微生物，构建塑料解聚产物的混菌转化体系。

3 生物-信息联用技术

塑料降解微生物以及具有降解作用的关键酶是研究塑料生物降解的宝贵资源。目前报道的具有塑料降解作用的微生物/酶种类繁多，但降解效果大多不理想，且降解机制也大多不清楚。如何提高塑料降解微生物/酶的筛选效率，并从分子层面理性设计降解效率/酶活性位点，是未来研究塑料生物法回收需攻克的技术瓶颈。传统的塑料降解微生物筛选通常是从垃圾填埋场、塑料回收站等塑料聚集地附近的土样中进行菌种筛选、分离、鉴定。但是这种方法存在耗时长、目标针对性差、筛选范围小等诸多缺点。同时，目前塑料微生物降解研究的主要精力仍集中在微生物资源的挖掘，而在分子机理以及酶学研究方面投入不足，这也制约了通过基因工程手段来提高降解菌/酶解聚效率的发展。如今信息技术发展迅速，在大批量数据筛选分析方面显现出独特优势，面对纷繁复杂的塑料降解微生物基因组、代谢组、降解功能酶数据，通过大数据分析已有的研究信息，指导目标降解微生物的挖掘与改造，降解路径的解析与设计，解聚酶的表征与改造，将达到事半功倍的效果。

由生物学与信息学交叉产生的生物信息学技术早在二十世纪七八十年代便已产生，目前已被广泛应用于基因组学、蛋白质组学、转录组学、代谢组学等分析领域。在塑料生物降解方面，研究人员对已发现的塑料降解菌进行全基因组测序，从基因组数据中分析塑料降解酶以及塑料代谢通路有关的编码基因，这为探究塑料降解菌的降解分子机制，从基因层面对菌株及其分泌的酶进行筛选改造提供了理论基础。Danso 等开发了一种能够从基因组和宏基因组中筛选PET 降解酶候选基因的搜索算法，并从搜索数据中归纳总结了降解酶在自然环境中出现的频率以及主要关联的细菌门，这为了解该降解酶的形成、发展以及全球分布提供了新的认识。Wallace 等从一株降解聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）菌株的分泌蛋白组入手，筛选鉴定了一种具有塑料降解能力的新型功能蛋白PpEst并成功解析了其结构及活性位点，这项研究为大家提供了一种从分泌蛋白组中筛选塑料降解酶的方法。在酶的改造方面，目前研究工作热点主要集中在PET降解酶上。PET降解酶主要类型有角质酶、脂肪酶以及传统的PET降解酶不具备底物专一性，没有与底物特异性结合的结构域，与PET的表面吸附可能是由酶催化中心附近的疏水区域介导，因此常通过改变催化中心附近的氨基酸来促进酶与底物结合。研究人员通过软件模拟酶的化学结构及其可能的底物结合位点，并根据这些信息制定不同的改造思路，以达到提高酶热稳定性以及塑料降解效率的目的。叶枝堆肥角质酶（LCC）和的酯酶（PETase）是目前研究最多的两种PET降解酶，通过分析二者的结构以及底物结合位点信息（图3），研究人员已经对其进行了多种改造尝试。Tournier等针对LCC表面与PET结合的凹槽构建了数百种不同氨基酸组合的突变体酶，并进行了热稳定性改良，成功找到并分离出一种能在72℃稳定工作的突变体酶，这种酶的PET键断裂效率，与野生型的酶相比，提高了10000 倍。孟祥熙通过标准化蛋白序列的选择以及突变设计的流程，开发了一种突变设计工具Premuse。通过该工具将PET 水解酶IsPETase 蛋白序列与在NCBI上收集到1486 条同源序列进行比对，设计了10 个单点突变，成功得到两个稳定性提高的突变体W159H 和F229Y，并进一步构建获得了酶学性质显著提高的W159H 和F229Y 的复合突变体。结果表明，复合突变体在40℃条件下对无定形PET的降解效果比野生型提高了近40倍。

图3 典型PET降解酶结构及软件模拟的底物结合位点

目前，世界上已经建立了许多关于核酸和蛋白质等生物大分子的数据库。其中著名的核酸数据库有美国国家生物技术信息中心（NCBI）建立的GenBank 数据库、欧洲生物信息学研究所（EBI）建立的EMBL 数据库以及日本信息生物学中心（CIB）建立的DDBJ数据库，而与蛋白质相关的数据库则有蛋白质序列数据库（SWISS-PROT）、蛋白质信息资源数据库（PIR）以及蛋白质结构数据库（PDB）等。同时，相关的分析计算软件也层出不穷，如用于核酸和蛋白质序列比对的Blast，用于蛋白质突变影响功能预测的MutPred以及用于蛋白质结构预测的Swiss-Model 等。数据库以及分析计算软件的存在使得研究人员在进行塑料降解菌株和关键酶的鉴定以及改造时，可以不再局限于人工试错性实验，而是根据被整合到数据库中的信息，对自己的实验进行模拟和预测，极大地节省了工作量且具有更好的普适性。

4 结语

废弃塑料资源组分复杂、降解能垒高、胁迫因子多、回收经济性差。实现废弃塑料资源的高效/高值转化，需要多学科、多技术的共同攻关。生物法回收过程温和环保，产物价值性高，契合当前全球实现“碳中和”的建设理念。但是目前报道的废塑料生物降解效率尚无法满足实际应用的需求，如何交叉融合多学科前沿技术，助力废塑料的生物法回收是未来建设塑料循环经济的重要方向。基于已有研究成果，针对废塑料的生物法循环回收利用提出以下展望。

（1）师法自然界高分子材料的生物炼制经验

塑料的发展史短暂而飞速，自然界还未进化出可高效降解塑料的微生物和酶元件。相比较，与塑料结构较为相似的天然高分子材料，如角质、木质纤维素等已形成了较为完整的研究体系，并取得了一定的研究进展。这些天然高分子材料的研究成果在一定程度上可为塑料回收研究提供理论和技术支撑。

（2）探寻学科交叉的更多可能性 除了文中提到的物理学、化学和信息学技术，更多的学科技术需融入塑料生物回收研究中。例如，利用材料化学技术，将塑料解聚酶嵌入聚酯塑料中，在不影响塑料特性的条件下，当塑料接触到热量和水时，其间的酶将挣脱束缚启动对塑料的降解，该技术将显著加快自然环境中塑料的生物降解进程。此外，塑料的生物法回收过程不是独立的两个学科交叉可实现的，往往需要物理、化学、信息等众多学科的共同攻关。

（3）强化现有技术联用的适配度 在产物结构、处理速率等方面，如何适配上游的物理和化学处理工艺与下游的生物法解聚与转化过程，在信息预测的数据库大小方面，如何适配实际可操作的高通量筛选技术，是未来塑料生物法回收多技术交叉过程中需亟需解决的重要问题。如在生物-信息耦合方面，需提高塑料降解微生物/酶筛选时的预测准确性，缩小预测范围，并建立高效的液滴微流控技术高通量筛选平台，以实现对塑料降解功能元件/微生物的快速高效选育。

（4）真实废塑料处理场景的应用 目前关于塑料回收的研究大多使用纯品塑料或者塑料模拟物作为处理对象，实验结果与处理真实废塑料有较大差距。因此，未来需加快对真实废塑料和非纯品塑料的处理和回收过程考察，以期建立真实度高、可行性强的废塑料绿色化、高值化回收工艺路线。

（5）促进塑料回收产品的市场流通 塑料作为一种人工合成材料，产生时间不长，对其回收相关的研究起步也较晚。目前，塑料回收产品的生产以及实际市场流通尚有欠缺，需要政府提供相应的政策引导、经费保障和项目支持。