合成生物学助力塑料降解物升级再造

石油基合成塑料因高分子量、高疏水性及高化学键能等特性难以被生物降解,在环境中不断累积,由此导致的'白色污染'已经成为一个全球性环境问题。填埋和焚烧是目前塑料垃圾处置的无奈之举,但随之带来的是更为严重的二次污染问题。

图1 2019年中国废塑料处理情况

因此，开发绿色高效的废塑料资源回收利用技术迫在眉睫,利用微生物/酶将塑料降解为寡聚体或单体,或进一步转化为高价值化学品, 是从源头解决塑料污染的关键。建立从塑料降解物到高值化学品的生物转化技术体系，不仅能推动循环经济的发展，还能有效节约石油、天然气等不可再生资源，减少温室气体排放，保护生态环境。

图2废弃塑料的生物解聚和升级再造

然而废塑料结构复杂、分类难度大、降解物多样，要想实现塑料降解物的高值化生物炼制，解聚过程需要化学方法和生物方法并用。在明确降解所得的小分子单体或寡聚物后，定向挖掘可以利用这些小分子化合物的微生物，并利用合成生物学技术，设计与构建塑料降解物到高值化学品的合成途径。下面是当前研究热点中利用塑料降解物炼制的几种高值化学品：

第一，油脂，它是微生物体内能量存在的主要物质，产油微生物可转化脂肪烃类塑料降解物合成并积累油脂，Y.lipolytica strain 78-003可直接利用PP塑料热裂解混合物（主要包含脂肪醇、烷烃、烯烃），细胞生物量达2.34 g/L,油脂含量达细胞干重的23%，底物到细胞转化率达0.13g/g，其中油脂收率为0.03g/g底物。

第二，聚羟基脂肪酸酯PHA，它是多数细菌胞内碳源和能源的储备物，因其可完全生物降解，被认为是传统塑料的新型生物材料代替品，科学家Jasmina对向发酵罐供应挥发性芳香烃苯乙烯的工艺进行了改进和模拟。通过空气喷雾器将气态苯乙烯改成液态苯乙烯，P. putida CA-3菌体干重增加了5.4倍(总计10.56 g/L)，PHA产量达到3.36 g/L，建立了描述细胞生长、底物和氧气利用的非结构化动力学模型。建立了芳香族环境污染物降解与脂肪族PHA合成的独特联系，为PS塑料的循环利用提供了可行的方向。

第三，表面活性剂可以乳化水性介质中的疏水性物质，从而增加细胞对疏水性物质的利用度。因此，PE、PP、PVC等塑料经热解获得的疏水性脂肪烃等疏水性底物常用于表面活性剂的合成研究。例如，沙门菌Renibacterium salmoninarum 27BN可利用正十六烷为唯一碳源生长并积累鼠李糖酯，鼠李糖酯的分泌又能进一步促进十六烷的利用。值得一提的是，鼠李糖酯的合成与 PHA 共用R-3-羟基链烷酸前体库，因此，许多具有同化塑料降解物合成 PHA 的微生物也具有合成鼠李糖酯的潜力。

第四，芳香类化合物，它是苯系塑料降解物进行高值化生物再造的首选去向。Hee等人通过在大肠杆菌内外源表达来自Comamonas sp. E6的TphAabc和TphB，获得工程菌株HBH-1，首先实现苯二甲酸到原儿茶酸的转化。接下来以原儿茶酸为前体，又进行了一系列高价值芳香类化学品的合成研究。首先，通过外源表达来自P. putida KT2440的对羟基苯甲酸酯羟化酶（PobA），大肠杆菌Escherichia coli GA-1将原儿茶酸转化为没食子酸，转化率达40.1%。为消除没食子酸单菌合成中辅因子失衡问题，又将没食子酸的合成途径分成两个模块：原儿茶酸合成模块（PCA-1）和没食子酸合成模块（HBH-2）。在最优菌株接种情况下，系统转化原儿茶酸合成没食子酸的转化率达92.5%。运用同样的策略，通过在没食子酸合成菌株 GA-1中外源表达没食子酸脱羧酶（LpdC），工程菌 PG-1a可以实现32.7% 对苯二甲酸到邻苯三酚的转化。为解决此转化过程中副产物儿茶酚的积累，构建另一条以儿茶酸为中间物的邻苯三酚合成途径：原儿茶酸经脱羧形成邻苯二酚，再经过酚羟化酶的作用生成邻苯三酚。通过混合培养儿茶酸合成菌株与邻苯三酚合成菌株，最终对苯二甲酸转化合成邻苯三酚的产量达到0.6 mmol/L，是单菌培养的3倍。运用同样的策略，还完成了对苯二甲酸到黏康酸和香草酸的合成，这些成果为PET降解物的高值回收提供了宝贵经验。

图3 芳香类塑料单体对苯二甲酸的生物降解途径

通过建立废塑料生物降解与高值化利用平台,可为巨量的废塑料资源循环利用提供新的理论基础和关键技术,为我国塑料循环经济发展提供经济、环保、可行的技术支撑。

供稿：张雪憬

编辑：徐娅 张彤 李晓萌

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