聚焦 PET 生物升级回收：酶解技术与生物高值转化新进展

摘要：近期，天津大学齐崴教授、尤生萍副研究员团队与新加坡科技研究局（A*STAR）张聪强研究员团队在生物技术领域知名期刊《Biotechnology Advances》（影响因子：12.5，中科院一区TOP）上合作发表题为“Bio-upcycling PET was

近期，天津大学齐崴教授、尤生萍副研究员团队与新加坡科技研究局（A*STAR）张聪强研究员团队在生物技术领域知名期刊《Biotechnology Advances》（影响因子：12.5，中科院一区TOP）上合作发表题为“Bio-upcycling PET waste: Advances in enzymatic hydrolysis and biosynthesis of value-added products”的综述论文。

在全球塑料污染日益严峻的背景下，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为应用最广泛的工程塑料之一，其大规模生产与低效回收之间的矛盾愈发突出。2022年全球PET产量已达8810万吨，然而其天然耐降解特性与不当回收管理导致大量PET废弃物堆积，不仅造成资源浪费，更对生态环境和人类健康构成严重威胁。传统机械回收受限于原料纯度且导致产品质量下降，化学回收需高温高压等苛刻条件，而生物回收凭借温和反应条件、低能耗和环境友好等优势，成为PET清洁循环利用领域的研究热点。综述系统梳理了PET酶解效率提升策略及降解产物高值化转化的最新进展，为PET生物升级回收产业化提供了关键参考。

PET是由乙二醇（EG）和对苯二甲酸（TPA）重复单元构成的半结晶聚酯，通过生物催化剂将PET回收为可用于高附加值产品合成的单体结构单元，被广泛认为是应对PET废弃物的最优且环保的策略。综述首先介绍了PET的酶解催化机制：

PET酶解依赖于羧酸酯水解酶（EC 3.1.1.x）的催化作用，主要包括角质酶（EC 3.1.1.74）、脂肪酶（EC 3.1.1.3）、IsPETase（EC3.1.1.101）等。其中，2016年首次发现的Ideonella sakaiensis 201-F6来源的IsPETase，因能在常温下高效降解PET薄膜而受到广泛关注。IsPETase属于丝氨酸水解酶家族，其水解PET的过程依赖于保守的丝氨酸-组氨酸-天冬氨酸（Ser–His–Asp，SHD）催化三联体，并经历酰化与脱酰化两个典型步骤（图1）：

图1 PET的酶解过程及其催化机制。使用PyMOL可视化了IsPETase-PA（PDB编号：8J17）、BhrPETase（PDB编号：7EOA）、PHL7（PDB编号：7NEI）、LCC-ICCG （PDB编号：7VVE）以及来自Thermobifida fusca的角质酶（TfCUT2）（PDB编号：4CG1）的结构，并以粉红色标示其丝氨酸-组氨酸-天冬氨酸（SHD）催化三联体。

酰化步骤：催化三联体中的丝氨酸（Ser）攻击PET分子链中酯键的羰基碳，形成四面体中间体（TI1），该中间体在组氨酸（His208）、天冬氨酸（Asp177）及氧阴离子穴的稳定作用下，转化为酰基-酶中间体（acyl-enzyme, AE）。

去酰化步骤：水分子攻击AE中间体的羰基碳，形成第二个四面体中间体（TI2），最终分解为羧酸产物（TPA、单羟乙基对苯二甲酸MHET、双羟乙基对苯二甲酸BHET）和游离酶。

综述进一步系统总结了近年来通过酶工程、底物预处理、产物抑制缓解及反应条件优化提升PET酶解效率的技术进展：

酶工程：增强PET水解酶的热稳定性与催化活性

PET的玻璃化转变温度（Tg）约为65-71 °C，当反应温度高于Tg时，PET无定形区域分子链流动性增强，更易被酶攻击。因此，提升PET水解酶的热稳定性，使其能在近Tg温度下高效催化，提高了酶对PET的可接近性与底物可及性，整体促进了酶解反应的进行。

热稳定性提升：综述系统梳理了PET水解酶热稳定性提升的研究进展，指出在接近PET的Tg条件下开展酶解反应对于提高底物可及性和反应效率具有关键意义。但同时需要注意的是，长时间在高于Tg的温度下反应会引发PET的热诱导结晶，导致结晶度升高，进而抑制酶的降解效率。因此，酶解反应的最优温度一般略低于70 °C，以兼顾PET链段的流动性、酶的催化活性以及避免不利的热结晶。图2中总结了多种PET水解酶的Tm和最适反应温度，可观察到二者间存在明显的相关性（黄色高亮区域）。基于经验数据，反应温度控制在Tm以下15 °C左右有助于维持酶的催化活性。

图2 PET水解酶的Tm值与最适反应温度汇总图。不同类型的酶以不同颜色标注，同一类型的酶突变体采用相同颜色表示。绿色方框表示兼顾PET结晶温度与高链段可移动性的反应温度区域，适合进行PET的酶解反应

酶-底物亲和力优化：综述进一步总结了酶–底物亲和力优化在提升PET酶解效率中的关键作用，指出除了通过提高热稳定性来适应高温条件外，增强酶对PET表面的结合能力同样是突破酶促降解瓶颈的重要策略（表1）。由于PET是一种疏水性聚酯，其水解过程通常发生在固-液界面上，属于典型的非均相反应。PET的高度疏水表面显著限制了酶分子对底物表面的可接近性，从而成为限制酶促降解效率的主要瓶颈之一。因此，为高效催化此类难溶聚合物，可通过酶活性位点工程改造（如疏水化修饰、电荷调节、底物结合口袋扩容等）和底物结合模块引入等手段提升酶对PET表面的吸附能力与结合稳定性。

底物预处理：调控PET的物理特性

PET的酶解效率受到其物理特性的显著影响，包括颗粒尺寸、比表面积、表面疏水性、Tg、结晶度以及分子量等因素。综述总结了近年来在PET无定形化以及通过物理、化学和生物预处理策略以提高酶降解效率的研究进展（表2）。

由于预处理手段往往同时改变多种物理特性，因此难以通过单一参数全面预测其对降解效率的促进作用。未来亟需开展多维度的系统研究，以阐明这些物理特性在提升PET酶解效率中的具体作用机制。此外，综述还系统介绍了产物抑制的缓解策略（如多酶协同体系与产物移除）以及反应条件的优化（包括离子浓度、搅拌速率、pH值和酶浓度等参数调控），以更为全面的理解PET高效酶解的促进手段。

尽管大量研究致力于酶工程并取得了显著进展，但在当前工艺条件下——如对低结晶度底物的依赖、近中性 pH 条件以及对高反应转化率的要求——单纯提升酶性能对整体工艺的经济性或环境影响的改善作用仍然有限。相比之下，在上下游操作环节的工艺创新更可能带来实质性的改进，例如底物的无定形化处理、酸碱消耗的减少，以及EG回收过程能效的提升。因此，实现酶法PET回收的经济可行性和环境可持续性，除了依赖酶工程的进步外，还需关注系统层面的综合优化。

综述进一步分析了影响酶法PET回收经济性的关键因素，指出在解聚过程中，PET的降解程度、底物负荷、酶的价格及其用量，均是主要的成本驱动变量。这些因素不仅影响终产物的产率和纯度，也直接关系到整体工艺的资源效率与环境表现。因此，实现高效、可持续的酶法回收路径，需要酶性能提升与工艺系统优化协同推进。

PET酶解产物（TPA和EG）不仅可用于再生PET，还能通过代谢工程转化为高附加值化学品，显著提升生物回收的经济性。综述详细阐述了TPA和EG的代谢路径及转化产物研究进展，为PET“从废弃物到高值产品”的升级回收提供了技术蓝图。

TPA的高值化转化

多种微生物具有TPA的分解代谢途径，包括 Comamonas sp. E6、Rhodococcus jostii RHA1、Pseudomonas umsongensis sp. GO16、Pseudomonas stutzeri、Ideonella sakaiensis等。这些代谢途径能够促进TPA转化为多种高附加值产物，例如聚羟基丁酸（PHB）、聚羟基烷酸酯（PHA）、香兰素（vanillin）、β-酮己二酸（β-KA）、原儿茶酸（PCA）、没食子酸（GA）、邻苯三酚（PG）、粘康酸（MA）、香草酸（VA）、乙醇酸（GLA）、2-吡酮-4,6-二羧酸（PDC）、己二酸（AA）、邻苯二酚（catechol）以及番茄红素（lycopene）等。综述系统地总结了TPA通过代谢工程进行高值转化的代谢途径和研究进展（图3）：

图3 TPA的生物转化途径

EG的高值化转化

EG从PET水解液中的分离受到其高黏度、高水溶性以及高达197.6 ℃的沸点的限制，这导致分离过程中能耗极高，从而使EG直接回收作为再生PET原料的成本较高。利用微生物将EG同化进入中心代谢途径（如糖酵解、三羧酸循环）可实现EG的高值回收。EG通常通过乙醛酸（glycolaldehyde）这一中间产物被同化，随后乙醛酸可以被代谢为乙酰磷酸（AcP）、乙醇酸（GLA）和D-阿拉伯糖-5-磷酸（D-arabinose 5-phosphate），进一步生成乙酰辅酶A（acetyl-CoA），进入中心代谢网络以合成大宗化学品；或者转化为D-苏糖（D-threose），生成 L-2,4-羟基丁酸（L-2,4-hydroxybutyrate）（见图4）。

图4 EG的生物转化途径

PET高值转化的经济可行性分析

TPA和EG在生物转化中的多功能性凸显了它们不仅可作为回收PET的原料，同时也可作为合成各种天然产物、高性能聚合物等的前体（表3）。评估其利用的经济可行性，需要仔细考虑转化效率、市场动态和生产成本（表4）。值得注意的是，TPA与EG在基本理化性质上的差异，决定了它们最适合的下游利用策略及经济价值。综述进一步比较和总结了TPA和EG的理化特性及各自适合的回收策略。