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摘要

微生物可同时促进生物基可生物降解塑料的合成与分解，这使其在未来循环塑料经济中处于核心地位。然而，微生物生产塑料与塑料生物降解两方面的进展常被孤立讨论，限制了将上述过程整合为可行循环系统的能力。本综述围绕关键生物基聚合物展开，重点讨论聚羟基脂肪酸酯、细菌纳米纤维素，以及聚乳酸与聚呋喃二甲酸乙二醇酯所需单体，系统评估微生物在聚合物全生命周期中的贡献，并审慎判断现有微生物能力对合成与降解的支撑程度。尽管相关遗传能力在微生物中广泛存在，但其并不必然转化为工业或自然环境中的高效合成或高效生物降解。微生物合成仍受限于体积生产率低、碳效率不足和下游加工困难；生物降解则高度依赖材料性质与环境条件，高效降解通常仅见于受管理场景。因此，建立有效的生物基塑料循环经济，需要将微生物工程、聚合物化学、材料科学及其他学科整合，同步优化生产与末端管理。

keyword：生物基可生物降解塑料（bio-based biodegradable plastics）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、细菌纳米纤维素（BNC）、聚乳酸（PLA）、聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）、微生物合成、酶解聚、循环经济

• Bruch M, Narancic T, Orimaco R, Um J, Lynch C, Liu S, Nikodinovic-Runic J, Wei R, O’Connor K. Microbial synthesis and degradation of bio-based biodegradable plastics. Nature Reviews Microbiology, 2026. https://doi.org/10.1038/s41579-026-01370-3；在线发布日期：2026年10月1日
• 期刊：Nature Reviews Microbiology（IF=104.6，按2025年JCR、2026年发布数据；微生物学类别Q1）
• 发表时间：2026年10月1日

研究总结

背景介绍

2024年全球塑料产量超过4.30亿吨，自塑料规模化应用以来累计产量已达数十亿吨。由于消费后收集与再利用体系不完善，每年有大量塑料进入土壤、淡水和海洋。微塑料可在深海带、冰盖、大气与食物链中检出，并通过改变辐射平衡、沉积物孔隙度及微生物活性产生间接生态效应。化石基聚乙烯、聚丙烯以碳碳键为主，难以被微生物水解；聚对苯二甲酸乙二醇酯虽含酯键，但因高结晶度和庞大单体，原位生物降解十分有限。相比之下，生物基可生物降解聚合物（BBPs）以可再生碳为原料，借助酯键或糖苷键供微生物及酶攻击，理论上可形成从合成、使用到降解回收的闭环。本综述选取聚羟基脂肪酸酯（PHA）、细菌纳米纤维素（BNC）、聚乳酸（PLA）前体乳酸、聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）前体2,5-呋喃二甲酸（FDCA）四类对象，统一分析其合成通路、工艺瓶颈与末端降解条件。

微生物合成生物基可降解聚合物

figure1：展示机械回收、化学回收、生物回收与堆肥等路径，说明微生物或酶可将生物基聚合物回流为单体、聚合物或堆肥，并标注发酵、下游分离与再聚合环节。

生物基可降解聚合物包括胞内、胞外与分泌单体三类生产模式。总体碳流可从糖酵解、三羧酸循环、β-氧化及C1途径汇入乙酰辅酶A、丙酮酸、UDP-葡萄糖等中心中间体，再分别进入不同聚合路径。

聚羟基脂肪酸酯（胞内聚酯）

PHA由羟基脂肪酸重复单元构成，作为碳能与能量储存物在胞内以颗粒形式积累。短链PHA含三至五个碳，中链PHA含六至十四个碳。合成主要由PhaA、PhaB、PhaC或经β-氧化提供羟基脂酰辅酶A完成。PhaC合酶分为多类，其中第一类与第二类常用于短链或中链合成，第三类、第四类多为异源二聚体。基因组普查显示，约四分之一细菌基因组与约六分之一古菌基因组含phaC，但具备高含量积累与高体积生产率表型的菌株仍集中为数不多属种。工业常用补料批次，在两阶段工艺中先扩培生物量，再以氮、磷限制诱导积累。该模式导致部分发酵周期中聚合物生产率接近零，拖累整体体积生产率。已有研究用Cupriavidus necator等菌将CO2转化为聚羟基丁酸酯，以提高碳效率；但对多数好氧糖代谢，超过60%入碳可能以CO2流失。下游需破壁、干燥与溶剂提取，深度共熔溶剂、离子液体及无卤溶剂可减少环境负荷，predatory细菌裂解与酶法破壁仍在探索阶段。

figure2：中心代谢与聚合物合成地图，涵盖糖酵解、三羧酸循环、β-氧化与C1路径，显示乙酰辅酶A、UDP-葡萄糖、丙酮酸分别流向PHA、BNC、乳酸与FDCA；并细化5-羟甲基糠醛经HMFCA、FFCA至FDCA的周质与胞质氧化路径。

细菌纳米纤维素（胞外多糖）

BNC化学结构与植物纤维素一致，为β-1,4葡聚糖，但由细菌分泌后形成无木质素、半纤维素和果胶的纳米纤维，结晶度可达95%。主要产生菌为Komagataeibacter、Acetobacter与Gluconobacter等严格好氧醋酸菌。bcs操纵子编码纤维素合酶复合体，以UDP-葡萄糖为底物将链通过膜外排并自组装为原纤维；环二鸟苷酸信号调控其生产并与生物膜形成耦合。静态培养可在气液界面形成皮膜，结晶度高但表面积需求大；搅拌或气升反应器可提高体积生产率，却常降低结晶度并诱发非产纤维素突变。BNC含水量常超过98%，下游洗涤、碱处理、脱水与干燥成本高。农业废液、玉米浸出液、燕麦壳水解物等副产物流可降低原料成本，但滴度与一致性仍制约放大。

figure3：基于16S rDNA构建的微生物系统树，标注具备FDCA、乳酸、PHA与BNC合成遗传能力的细菌与古菌类群，反映可培养高产菌株与广义遗传潜力之间的差距。

乳酸与聚乳酸单体

乳酸由酵母、丝状真菌及乳酸杆菌等发酵产生，工业以纯种厌氧或兼性发酵为主。同型发酵经EMP途径将葡萄糖转为丙酮酸，再由立体特异性乳酸脱氢酶生成L-或D-乳酸；异型发酵经磷酸酮醇酶途径并伴随乙醇、CO2与其他有机酸。乳酸分泌至培养基，下游可通过沉淀、液液萃取、离子交换、膜分离与分子蒸馏回收，但中和步骤会产生大量硫酸钙等副产物，低pH耐受酵母与铵基中和工艺可改善该问题。乳酸光学纯度决定PLA结晶与热学性能：高L型倾向半结晶，高D型或共聚可降低结晶度并提高柔性。PLA通常由乳酸缩聚或丙交酯开环聚合制备，生物酶催化开环仍处于较低技术成熟度。

FDCA与PEF单体

PEF由FDCA与乙二醇缩聚获得，其屏障性能优于部分传统包装聚酯。FDCA可由5-羟甲基糠醛（HMF）经微生物氧化制备：HMF先在周质由广谱醛氧化还原酶转为HMFCA，入胞后经HmfH、PsfG、PsfA等继续氧化为FFCA与FDCA。HMF来自酸处理木质纤维素，兼具反应性与抑制性，副产腐黑物、乙酰丙酸等会干扰发酵。Pseudomonas putida、Cupriavidus basilensis、Raoultella ornitholytica等菌株可实现较高FDCA滴度；但由于全球HMF供应规模有限，生物FDCA整体仍小于千吨级示范。相比胞内PHA，分泌型FDCA与乳酸在下游分离上具有优势，但仍受起始底物价格、纯度和转化率制约。

figure4：废弃物与副产物流作为底物，结合补料批次、开放混合培养、极端微生物宿主与下游分离（离心、过滤、溶剂提取）及再聚合路线，说明从PHA、BNC、乳酸、FDCA到终端生物塑料的工艺链。

生物降解与酶解聚

PHA降解与酶解

PlasticDB统计显示，与可降解塑料相关的微生物中，PHA降解株与酶最为丰富。胞内PHA解聚酶作用于原生颗粒，胞外解聚酶对结晶PHA更有效。Pseudomonas、Bacillus与嗜热链霉菌来源酶均表现结晶度依赖动力学，层片厚度常成限速因素。嗜热体系如Pseudomonas sp. DSDY0501在60℃对PHB膜表现出快速降解，Lihuaxuella thermophila来源酶在70℃可同时作用多种PHA与PLA、PCL等聚酯。由于PHA单体本身可作为再合成碳源，全细胞“解聚—再聚合”闭环具备工艺简化潜力，但要求解聚酶在生理温度以下保持高效，当前因废弃PHA总量远小于PET，酶工程投入仍显不足。

PLA降解与酶解

PLA半结晶材料玻璃化温度常高于60℃，高结晶度与立体复杂性使固态酶解困难。蛋白酶可立体识别L-乳酸单元，酯酶对D型富集PLA常有更高初速；经饱和突变与结构改造的枯草杆菌蛋白酶、放线菌蛋白酶可显著提高活性。自缓冲碳酸钙体系可抵消乳酸积累导致的pH下降。将耐热蛋白酶嵌入PLA母粒，可在工业堆肥58℃数周内实现高比例崩解，并在家庭堆肥条件下进一步降速。对高结晶PLA，仍需熔淬预处理或物理增塑以提升酶可达性。

figure5：基于PlasticDB筛选具备PHA、PLA、BNC降解能力的细菌与真菌系统树，展示已验证降解类群及其分类分布，说明实验室降解能力与环境验证之间仍存在差距。

BNC降解与酶解

细菌自身多不分泌完整纤维素酶系，BNC在自然环境中主要由Trichoderma、Aspergillus、Cellulomonas、Clostridium等异养菌群降解。内切葡聚糖酶、外切纤维二糖水解酶与β-葡萄糖苷酶协同，可在48至72小时分解无定形皮膜；土壤中降解通常强于单纯气候风化。由于BNC高结晶、高水合，其“降解”更多指向堆肥、废水处理与复合材料中有限矿化，而非传统熔融回收。

PEF降解与结晶度限制

PEF结构近似芳香聚酯，PET水解酶如Humicola insolens cutinase、Thermobifida cellulosilytica cutinase、Ideonella sakaiensis IsPETase及其耐热变体均可水解无定形PEF。LCC类cutinase在碱性、70至90℃条件下对PEF可获得接近完全FDCA单体回收。高结晶PEF与高结晶PLA类似，酶解重量损失显著下降；物理或化学预处理降低结晶度是提高解聚速率的前提。需特别说明，PEF虽可生物降解，但在180天工业堆肥标准窗口内常不能完成解体，部分报道需400天或经风化减至260天，因此更适以酶回收而非单纯堆肥处置。

figure6：可生物降解聚酯与纤维素材料的酶活性温度、pH与酶类分布图，包含脂肪酶、蛋白酶、PET水解酶、PHA解聚酶、纤维素酶；标注工业堆肥58℃区间，并说明PEF虽可生物降解但在180天标准堆肥窗口内通常难达标。

总结

微生物在生物基可降解塑料的合成与末端管理中均具不可替代性，但遗传潜力不等于工业可行性。合成端的主要矛盾是体积生产率、碳效率与下游成本：PHA受胞内储存与营养限制诱导影响，BNC受静态培养与皮膜质量制约，乳酸受中和副产物与光学纯度影响，FDCA受HMF抑制与供给规模限制。降解端的主要矛盾是材料结晶度、环境温湿度与微生物负荷：受管理工业堆肥、厌氧消化与酶反应器可实现较高转化，土壤、淡水与海洋等非受管理环境常速率不足。未来应将微生物工程与聚合物化学、材料加工、过程工程和废物流管理并行设计，优先发展低结晶或易预处理配方、耐热宽谱解聚酶、混合微生物群落、非粮底物发酵及水回用系统，方能将BBPs从单点技术推进为可计量的循环塑料体系。

参考文献

• Bruch M, Narancic T, Orimaco R, Um J, Lynch C, Liu S, Nikodinovic-Runic J, Wei R, O’Connor K. Microbial synthesis and degradation of bio-based biodegradable plastics. Nature Reviews Microbiology, 2026. https://doi.org/10.1038/s41579-026-01370-3
• PlasticDB塑料降解微生物与酶数据库：https://www.plasticdb.org
• European Bioplastics与NOVA研究所市场数据：https://www.european-bioplastics.org/market/
• Plastics Europe塑料产业与回收统计：https://plasticseurope.org/knowledge-hub/plastics-the-fast-facts-2025/
• Avantium PEF与FDCA工艺公开资料：https://www.avantium.com