英文原题：State-of-the-art advances in biotechnology for polyethylene terephthalate bio-depolymerization

作者：Ya-Jun Liu¹, Jie Zhou¹, Yanwei Li¹, Xin Yan, Anming Xu, Xiaoli Zhou, Weidong Liu, Ying Xu, Tianyuan Su, Shaojie Wang, Yinglu Cui, Weiliang Dong, Tianwei Tan*, Min Jiang*, Zhongli Cui*

01 论文信息

论文信息

Ya-Jun Liu, Jie Zhou, Yanwei Li, et al. State-of-the-art advances in biotechnology for polyethylene terephthalate bio-depolymerization[J].Green Carbon,2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.02.003

论文下载

State-of-the-art advances in biotechnology for polyethylene terephthalate bio-depolymerization

中文解读原链接

Green Carbon封面文章 | 北化谭天伟教授、南农崔中利教授、南工姜岷教授：绿色革命新篇章——PET生物解聚最新研究进展

02 背景简介

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料具有优异的耐用性，在自然环境中也极难降解。全球年PET产量为8000万吨，是重要的污染源，同时具有对化石资源极大的依赖性。为了实现PET的绿色环保回收，PET生物解聚技术的研究应运而生，是一种极具前景的解决方案 。

PET生物解聚技术利用特定的微生物或其产生的酶，将废弃的PET聚合物在温和条件下分解为其化学单体——对苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG），通过将单体提纯后重新聚合，可生产与原生塑料质量相媲美的新PET材料，从而真正意义上实现PET闭环“升级回收”。围绕这一思路，全球科研人员致力于高效PET降解酶及微生物菌株的发现、改造和优化，以及解聚过程的优化，努力实现实验室成果到工业级应用的转化。

近日，国家重点研发计划“绿色生物制造”重点专项“塑料高效生物解聚的关键技术”项目组联合在Green Carbon发表题为“State-of-the-art advances in biotechnology for polyethylene terephthalate bio-depolymerization”综述文章，并被选为封面文章。总结本项目执行期间取得的重大突破及PET生物解聚领域的国际前沿技术进展，探讨工业化应用的挑战，并提出未来的关键突破方向。中国工程院院士、北京化工大学谭天伟教授、南京工业大学姜岷教授、南京农业大学崔中利教授为论文共同通讯作者，中国科学院青岛能源所刘亚君研究员、南京工业大学周杰副教授和山东大学李延伟教授为论文共同第一作者，共计来自8家科研单位的15名专家学者参与了该论文的撰写。

03 文章简介

高效的生物催化剂是PET生物解聚技术的核心与基石，包括解聚酶和降解性微生物。文章指出，科学家们正通过两大路径加速新型PET降解生物催化剂的发现。

构建先进筛选平台：利用基于荧光底物或微流控液滴分选的高通量筛选技术，快速识别出具有降解活性的酶或微生物；发展的生物传感器技术实现对降解产物的实时监测与筛选；借助机器学习和序列比对算法，从庞大的基因数据库中预测并挖掘出具有潜力的新型PET降解酶，极大缩短挖掘周期。

从自然环境中直接分离鉴定能降解PET的催化剂：研究人员已从土壤、海洋、堆肥等不同生境中分离出具有降解功能的细菌、真菌乃至微生物菌群。例如，能够以PET为唯一碳源进行生长的Ideonella sakaiensis 201-F6菌株（现已更名为Piscinibacter sakaiensis 201-F6）。这些微生物可以直接用于环境修复，也是发现新酶的宝贵资源库。其中，大量PET解聚酶得以发现，其中LCC、IsPETase、KuboPETase等“明星酶”的研究最为深入。

深入理解PET解聚酶作用机理，是进行高效改造的前提。文章总结了PET水解酶的普遍结构特征（典型的α/β-水解酶折叠结构，并利用丝氨酸-组氨酸-天冬氨酸组成的“催化三联体”来执行催化功能）和催化过程（结合、断裂、产物释放和失活）。

近年来，借助高分辨率的晶体结构解析和先进的计算机分子模拟（如QM/MM方法），科学家们已经能够在原子层面清晰地观察到酶催化PET分解的全过程，包括形成酰化中间体和脱酰化两个核心步骤。此外，PET的结晶度、酶活性位点的电荷分布以及底物与酶的结合方式，都直接影响着降解的能垒和效率，这些发现为后续的理性设计提供了关键的理论指导。

图1. PET解聚酶的活性位点与催化路径

蛋白质工程改造可以解决天然酶的催化效率和稳定性不足的问题。文章总结了多种前沿的酶工程策略。

定向进化：通过模拟自然选择，在实验室中快速筛选出性能（如热稳定性、催化活性）提升的突变体，成功案例包括HotPETase；

基于结构的理性设计：利用已知的酶三维结构信息进行精确改造，以CARBIOS公司使用的高效LCCICCG解聚酶的构建为代表；

计算辅助设计与机器学习：利用强大的算法预测有益突变，创造出了一系列“超级酶”，如在常温下表现优异的FastPETase和兼具高稳定性与活性的TurboPETase。

从头设计：更具革命性的是科学家可以完全摆脱天然模板，创造出自然界中不存在的人工酶，例如高效的MHET水解酶KL-MHETase，它与PETase协同作用，能将PET完全分解为单体，且产物纯度极高。

图2. 中温IsPETase与高温角质酶类PET的解聚酶蛋白质工程与解聚性质比较

从实验室走向工厂，是技术商业化的“最后一公里”。文章对此进行了深入探讨。

酶的选择与大规模生产：研究对比了LCC^ICCG、FastPETase等多种工程酶在模拟工业条件下的表现，并指出了实现高产（20 g/L）稳定表达是降低成本的关键挑战。

关键反应参数的优化：对PET原料进行预处理以降低其结晶度和聚合度；精确控制反应温度以提高酶活并抑制PET物理老化；通过pH调控来维持酶的最佳活性并提高最终产物TPA的纯度 。

产物纯化与升级利用：目前已有工艺可将回收的TPA纯度提升至99.8%以上，用于再造高品质PET。进一步可以将降解产物直接转化为电池电极材料等高附加值产品，提升经济可行性。

经济性分析指导的优化：目前酶法回收的成本仍高于原生PET，主要开销在于原料预处理、化学试剂消耗和能源使用，未来降低成本的重点在于开发更廉价的废料来源（如废旧纺织品）、提升酶产量和回收利用率。

图3. PET回收生物过程及其在大规模工业应用中的可行性关键因素

文章列举了两个代表性的应用方向。一是以法国Carbios公司为代表的将可集中回收的PET废料进行酶法解聚循环，该技术能够处理包括服装、食品托盘在内的复杂PET废弃物，为大规模商业化应用树立了标杆。二是以工程微生物为基础的不可回收PET塑料的降解，通过改造微生物，使其具备在环境中“消化”微塑料的能力，为解决海洋、土壤中的塑料污染提供了一种潜在的生物修复策略。

技术经济分析（TEA）显示，酶法PET回收生产的再生对苯二甲酸（rTPA）最低销售价格（MSP）为1.93美元/公斤，高于原生石油基PET（vPET）1-1.5美元/公斤的市场价格。最大成本在预处理 (60%)。降本关键在改用廉价原料、开发高效耐酸酶 (省工艺步骤)，副产品收益可抵消部分成本。该分析为技术优化提供了关键方向，指明了降低酶法PET回收成本、提升其经济可行性的核心研发路径。

图4. 基于技术经济分析（TEA）的再生PET生产成本构成项及降本策略

总结及展望

在过去数年间，PET塑料的生物降解与回收技术已取得长足的进步，从新型高效解聚酶的发现与创制，到其作用机制的精细解析，再到工业化应用的工艺优化，一个完整的技术体系已初具雏形。以Carbios公司为代表的产业化实践，更是证明了这条技术路线的可行性与巨大潜力。然而，文章提出，该领域仍面临着提升经济可行性的核心挑战，未来的研究重点可聚焦于PET降解酶成本的降低、废塑料原料的拓展、耐酸新酶的开发，以及新型生物基可降解材料开发等方面的研究。

文章指出，解决全球性的塑料污染问题，需要全球性的协作，呼吁学术界、产业界和政府部门必须紧密合作，共同推动创新技术的研发与转化，将这些充满希望的科研成果真正融入现有的废物管理基础设施中，为建设一个更加绿色、可持续的未来贡献力量。

04 作者简介

谭天伟 院士

谭天伟，中国工程院院士，北京化工大学校长，Green Carbon名誉主编，长期致力于生物化工与绿色生物制造领域的研究。他在生物质转化、生物能源及生物基材料研发方面取得突破性成果，主导提出“第三代生物炼制”概念，利用微生物细胞工厂将二氧化碳高效转化为燃料及化学品，推动碳资源循环利用。其团队在用生物基产品替代石油基产品方面具有突出贡献，显著降低碳排放，助力“双碳”目标实现。在合成生物学领域，他突破核心菌种与酶制剂的“卡脖子”技术，构建自主知识产权的生物制造体系，相关成果获国家技术发明二等奖等多项荣誉。

姜岷 教授

姜岷，南京工业大学教授、博士生导师，国家级重大人才工程入选者。长期从事废弃碳资源生物降解与转化方向的研究工作，主持国家自然科学基金国际 (地区) 合作与交流项目 (中欧)、国家重点研发计划、 973和863课题等国家和省部级项目20余项。近5年，在生物质化工领域权威期刊Trends Biotechnol、ACS Synth Biol等发表学术论文130余篇，以第一发明人申请中国发明专利73项，授权40余项；主编教材及学术专著4部，参编英文专著1部。担任中国生物发酵产业协会理事，微生物育种委员会副理事长，中德生物科技双边合作协调员，德国卡尔斯鲁厄大学客座教授，《化工进展》《生物工程学报》等期刊编委。

崔中利 教授

崔中利，南京农业大学钟山学者计划首席教授，博士生导师，农业农村部农业环境微生物重点实验室主任。专注于微生物技术在农产品安全生产中的基础与应用研究，作为主要贡献人参与了化学品微生物降解技术的研发，提出了污染物生物降解田间应用标准；建立了以黏细菌为代表的新型农业微生物种质资源库，揭示了捕食性微生物消减土壤病原微生物的过程及其机制，提出了控制土壤生物障碍的新方法。在Nature Communications、ISME J、Microbiome、PNAS等杂志上发表SCI论文80余篇，相关成果获国家科技进步二等奖、教育部技术发明二等奖、中国土壤学会科学技术奖一等奖等。

刘亚君 研究员

刘亚君，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，山东省泰山学者青年专家、中国科学院特聘骨干、青岛拔尖人才、齐鲁巾帼科技创新之星，Green Carbon期刊主编助理、青年编委。主要从事非粮木质纤维素生物转化领域研究工作，研究方向包括非模式嗜热菌遗传改造技术开发、热纤梭菌代谢工程与合成生物学、高温全细胞塑料降解、木质纤维素整合生物糖化等。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、中国科学院国际合作项目、山东省重点研发、青岛市自主重大项目等各级项目，发表SCI论文40余篇，授权国内发明专利20余件。

周杰 副教授

周杰，南京工业大学生工学院副教授，入选中国博士后创新人才支持计划（2018年）、南京市中青年拔尖人才（2024年）、南京工业大学青年才俊拓原工程青年创新学者（2024年），入选江苏省优秀青年基金项目（2025年）。主要研究方向工业酶资源与蛋白质工程。主持国家自然科学基金面上、青年项目，国家重点研发计划课题及子课题等5项国家级项目，主持企业合作横向项目2项。近5年以第一作者或通讯作者在AIChE Journal、Trends Chem、Green Chem、Food Chem、iScience、生物工程学报等酶工程与生物化工领域发表SCI文章24篇；以第一发明人获授权发明专利7件；担任高起点期刊Green Carbon首届青年编委，并入选2024年度优秀青年编委，获第八届全国化学工程与生物化工年会优秀青年报告奖。

李延伟 教授

李延伟，教授，博士生导师，入选国家高层次青年人才、山东省泰山学者青年专家、山东大学杰出中青年学者。面向新污染物治理与废物循环利用，耦合计算化学、机器学习、生化实验等技术方法，聚焦生物酶分子的催化机理解析与理性设计研究。近年来主持和参与国家重点研发计划、国家科技重大专项、国家自然科学基金重点项目、面上项目、青年项目、山东省优秀青年基金等项目10余项。以通讯作者在Nat. Nanotechnol.、Natl. Sci. Rev.、Sci. Adv.、Environ. Sci. Technol.、ACS Catal.、ACS SC&E等期刊上发表文章30余篇。

05 Green Carbon

期刊官网：Green Carbon官网

投稿网址：Green Carbon投稿

公众号：Green Carbon公众号

知乎：Green Carbon知乎主页

科学网：Green Carbon科学网主页

微博：Green Carbon微博主页