可降解塑料，再发Nature，这次有“深度”！

酶嵌入聚酯在深海环境中加速降解

塑料在海洋中的持续积累已成为全球性环境问题。可生物降解塑料被视为缓解策略之一，但多数商用可生物降解塑料属于可堆肥塑料，其降解性能主要针对工业堆肥的高温、高微生物活性和高湿度条件优化；在海洋环境，尤其是低温、能够降解这些塑料的微生物不足的深海，部分可堆肥聚酯降解有限，可能长期存留，这构成了亟需解决的挑战。

东京大学Tadahisa Iwata教授课题组提出并验证了酶嵌入策略：将南极假丝酵母脂肪酶B（CaLB）或特异腐质霉角质酶（HiC）热嵌入PBS、PBSA、PCL和PBAT等可堆肥聚酯，在从2—6米近海到5503米深海的环境中显著加速降解。在757米深海，PBS、PBSA和PCL等酶嵌入聚酯5个月内接近完全降解；在5503米深海床极端条件下也观察到适度生物降解。 近海海水中，仅0.1 wt%痕量酶即可使薄膜快速降解，且酶嵌入聚酯的力学性能与无酶聚酯相似；化学分析证实形成低分子量降解产物，生化需氧量测定支持其矿化。该策略为增强可堆肥聚酯的海洋降解、应对海洋塑料污染提供了潜在方案。相关论文以“Enzyme-embedded polyesters for accelerated biodegradation in the deep sea”为题，发表在Nature上。

事实上，这不是第一次将酶和高分子复合，用于制备可降解高分子。此前，加州大学徐婷教授（）和图卢兹大学Alain Marty教授（）的工作证明了“酶嵌入可以让塑料在堆肥/溶液里快速降解”，这篇 Nature 证明的是“酶嵌入可以让塑料在真实深海里也降解，而且我们知道了它在深海里是怎么降解的、剩下什么、力学性能能不能保住”。这是从“陆域概念验证”到“深海原位实证”的跨越，这次有“深度”！

详细解读

研究首先建立了酶嵌入聚酯的原位试验体系：将CaLB或HiC与聚酯通过90-130℃、少于5分钟的熔融挤出混合，再经压缩成型制备薄膜，或在硅油中均质化制备微珠，随后分别封装于1毫米和55微米孔径的聚乙烯网中，装入带孔样品腔，由“深海6500”载人潜器或遥控潜器布放至日本近海PJM、三崎港外BMS、初岛BHT、明神海丘BMJ和黑潮延伸区AKR等站点，回收后评估表面形貌、质量与厚度变化、降解速率、微生物群落和海水BOD。该体系的关键在于把酶直接嵌入材料并放入自然海岸和深海环境进行原位检验，而不是仅限于实验室封闭培养（图1a—e）。

图1｜样品制备与深海床投放。a，酶嵌入聚酯薄膜和微珠制备示意图。酶通过90—130℃、少于5分钟的熔融挤出嵌入PBS、PBSA、PCL和PBAT；挤出物经压缩成型制备酶嵌入薄膜，或在硅油中均质化形成酶嵌入微珠；所得材料封装于聚乙烯网中，薄膜使用1毫米孔径网，微珠使用55微米孔径网；网袋置于样品腔中，酶嵌入样品与对照分隔放置。b，聚酯的化学结构。c，原位生物降解试验站点地图；BMS和BHT靠近人口密集城市及东京湾往返航运路线，观测到塑料碎片高积累；BHT和BMJ分别位于冷泉和热液喷口附近的独特化能合成群落站点；AKR位于黑潮延伸区再循环环流以南，报道有塑料碎片高积累；PJM为近岸参考站点，靠近大城市；站点缩写见补充表1b；图像改编自Esri、TomTom、Garmin、FAO、NOAA、USGS、GEBCO和NaturalVue。d，样品腔用绿色渔网和锚重物紧密包裹以固定在海底；样品腔由“深海6500”载人潜器布放至深海床；BMS投放新试验样品；投放5个月后的海底试验样品；来源：JAMSTEC。e，评估表面形貌、质量与厚度变化、降解速率、微生物群落组成和海水BOD。

多站点投放结果显示，酶嵌入可显著改变原本被视为海洋持久性较强的聚酯的命运。3 wt% CaLB嵌入的PBSA和PCL在BMS深海放置18个月后质量损失分别达57.3%和99.0%，在AKR分别达30.5%和7.7%，无酶对照在BMS降解有限、在AKR仅为1.6%和3.4%（图2a）。近海PJM放置1个月时，0.1 wt% CaLB嵌入使PBS、PBSA和PCL分别达到34.0%、12.9%和54.0%，无酶对照分别为0.8%、2.3%和23.4%（图2a）。高压容器实验显示，PBSA在10 MPa以上、PCL在25 MPa时降解程度下降，但CaLB在25 MPa下仍有效（图2b）；BHT 7—8个月对比还表明，HiC对PBS、PBSA和PCL的促进总体强于CaLB，PBAT较慢但仍被增强（图2c、d）。这说明酶嵌入在近海和深海均有效，但效率受深度、时间、酶种类和聚合物结构共同制约。

图2｜不同海洋环境中酶嵌入聚酯薄膜的生物降解及不同酶嵌入比较。a，3 wt% CaLB嵌入聚酯薄膜在BMS、BMJ和AKR深海床放置18个月，以及0.1 wt% CaLB在PJM近海海水放置1个月的质量损失；数据为平均值±标准差；双侧Student t检验；站点、样品和酶名称缩写见补充表1。b，PBSA和PCL薄膜在高压容器中于4℃、0.1 MPa、10 MPa或25 MPa下，在基于BMS深海海水的高压灭菌CaLB溶液（100 LU ml⁻¹）中放置1个月的质量损失；n=2个独立薄膜样品；数据为平均值±标准差。c，3 wt% HiC或CaLB嵌入聚酯薄膜在BHT（855米深）放置7或8个月的质量损失和生物降解速率；数据为平均值±标准差；双侧Student t检验。d，无酶PBS薄膜及3 wt% HiC或CaLB嵌入PBS薄膜在BHT深海放置7个月或8个月后的照片和扫描电镜图像，以及超声清洗去除生物膜后的图像；展示代表性照片；比例尺100微米；NS，不显著（P≥0.05）；P<0.05；P<0.01；P<0.001。

在757米BMS深海床的5个月详细实验中，3 wt% HiC嵌入的PBS、PBSA和PCL质量损失分别达到97.3%、100.0%和100.0%，PBAT为12.1%，而无酶PBS、PBSA、PCL和PBAT分别仅1.2%、3.4%、2.5%和1.1%；PBS的HiC嵌入样品降解速率达97.0±3.6 μg/(cm²·d)，无酶PBS仅0.9±0.1 μg/(cm²·d)（图3a）。回收的HiC嵌入PBS膜虽大幅失重，但仍保持连续膜状形貌，分子量未明显变化，表明降解主要发生在嵌入酶周围区域，低分子量中间体释放入海水，剩余聚合物保持原有分子量；0.1 wt%酶嵌入几乎不影响拉伸强度，3 wt% HiC会降低拉伸强度和断裂伸长率但仍处于可用范围（图3b）。微珠实验与薄膜一致：无酶PBS微珠表面光滑、无明显降解，而3 wt% HiC嵌入PBS微珠出现大量表面孔洞，PBSA微珠甚至完全降解或碎裂至小于5微米网孔（薄膜见图3c、d，微珠见图3e）。缓冲液实验中HPLC检测到水溶性低分子量水解产物；BMS回收样品的16S rRNA测序显示HiC嵌入PBS和PBSA表面Burkholderiae相对丰度随酶负载增加而升高；用PJM近海海水进行的BOD实验支持降解产物进一步被微生物矿化（图3f）。嵌入酶在深海低温高压下仍保持催化活性，并可由局部酶解启动后续微生物矿化过程。

图3｜HiC嵌入聚酯薄膜和微珠在深海床（BMS）的生物降解。a，3 wt% HiC嵌入聚酯薄膜在三崎港外深海床（BMS5-2；757米深）放置5个月的质量损失；数据为平均值±标准差；双侧Student t检验。b，3 wt%、0.5 wt%、0.1 wt% HiC嵌入聚酯薄膜及无酶聚酯薄膜投放前的拉伸强度和断裂伸长率；数据为平均值±标准差；双侧Student t检验。c，无酶PBS薄膜在深海床放置5个月前后的情况；3×3厘米PBS膜投放前、回收后（甲醛固定）及超声清洗去除生物膜后的代表性照片和扫描电镜图像。d，3 wt% HiC嵌入PBS薄膜在深海床放置5个月前后的代表性照片和扫描电镜图像；样品处理同c。e，无酶PBS微珠及3 wt% HiC嵌入PBS微珠投放前和在三崎港外深海床放置5个月后仍留在网中的微珠的代表性扫描电镜图像；比例尺50微米。f，根据扫描电镜图像、BOD实验和16S rRNA测序结果提出的酶嵌入塑料在BMS深海床的生物降解过程示意图；NS，不显著（P≥0.05）；P<0.05；P<0.01；P<0.001。

近海PJM的1个月实验进一步说明，酶嵌入在塑料最初进入海洋的沿岸环境同样有效。0.1 wt% HiC嵌入使PBS、PBSA和PCL质量损失分别达到27.4%、100.0%和85.5%，0.5 wt% HiC嵌入PBAT为11.3%，而无酶对照分别为0.8%、2.3%、23.4%和2.0%（图4a）；BOD实验显示，0.1 wt% HiC嵌入PBS有50.9%转化为二氧化碳，接近纤维素膜的59.3%，远高于无酶PBS的4.7%（图4b）。PJM投放1个月的薄膜结果见图4c、d；在东京湾25℃海水中浸泡2周后，0.1 wt% HiC嵌入PBS微珠表面出现明显孔洞，而无酶微珠保持光滑（图4e）。这表明近海较温暖水体和更丰富微生物群落本身可促进降解，而痕量酶嵌入能进一步放大这种效果，且微珠形态下同样有效。

图4｜HiC嵌入聚酯薄膜和微珠在PJM近海海水中的生物降解。a，0.1 wt%或0.5 wt% HiC嵌入聚酯薄膜在PJM（2—6米深）放置1个月的质量损失；数据为平均值±标准差；双侧Student t检验；NS，不显著（P≥0.05）；P<0.05；P<0.01；P<0.001。b，BOD生物降解性结果显示，0.1 wt% HiC嵌入PBS有50.9%被PJM海水中的微生物转化为二氧化碳，接近纤维素膜的59.3%，高于无酶PBS膜的4.7%；阴影区域表示标准差，点表示平均值；n=3个独立薄膜样品。c，4×4厘米无酶PBS薄膜在PJM投放1个月前、后（甲醛固定）及超声清洗去除生物膜后的代表性照片和扫描电镜图像。d，3×3厘米0.1 wt% HiC嵌入PBS薄膜在PJM投放1个月后的代表性照片和扫描电镜图像；样品处理同c。e，无酶PBS微珠和0.1 wt% HiC嵌入PBS微珠投放前及在东京湾采集海水中25℃浸泡2周后仍留在网中的微珠的扫描电镜图像；比例尺50微米。

综上，该研究证明热嵌入CaLB或HiC可使PBS、PBSA、PCL和PBAT等可堆肥聚酯在近海和深海环境中发生显著生物降解，PBS、PBSA和PCL在757米深海5个月内接近完全降解，在5503米深海床也出现适度降解；0.1 wt%痕量酶即可在近海显著加速降解，同时基本保持力学性能。酶嵌入策略在不牺牲材料使用性能的前提下拓宽了候选海洋可降解材料范围，展示了应对海洋塑料持久积累的潜在路径；未来若进一步优化酶种类与嵌入工艺，并结合微生物矿化过程，有望提升酶嵌入生物降解塑料体系的降解效率。