01 专刊介绍

Green Carbon是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称"青岛能源所"）主办的英文学术期刊，致力于报道绿色与可持续技术领域的前沿交叉成果。

二十载耕耘，薪火相传。恰逢青岛能源所成立20周年之际，Green Carbon第13期（Volume 4, Issue 3）将作为“青岛能源所建所20周年专刊”于2026年9月出版。

本专刊收录20篇主编特邀高水平文章，作者均为长期关心支持青岛能源所发展的战略科学家，以及绿色碳科学相关领域的公认领军专家。专刊涵盖绿碳科学与可持续技术领域的基础科学发现、关键技术创新、系统过程集成，以及标准与政策框架建议等内容，全面呈现该领域的代表进展与未来方向。

衷心感谢所有撰稿人为本专刊贡献前瞻性学术洞见、系统综述与标志性研究成果，以及对青岛能源所与Green Carbon期刊的大力支持！

02 导读

题目：Biotechnology for plastic production, degradation, and upcycling

作者：Chunjun Zhan*, Zhe Zhang, Guozhao Li, Qun Zhao, Xiulai Chen, Anping Zeng*

推送导读：

塑料因轻质、耐用、低成本而深度嵌入现代生活，但“生产-使用-废弃”的线性模式使大量塑料碳源长期以污染物形式滞留在填埋场和自然环境中。目前讨论常把“生物基”“可降解”“可堆肥”“可回收”混为一谈，也容易将表面粗糙、质量下降或碎裂等现象视为真正降解。事实上，塑料来自何种碳源，并不能直接决定其终端命运；聚合物主链、结晶度、添加剂、产品形态和老化历史，才共同决定其能否被化学、酶或微生物有效处理。德国国家工程院院士、西湖大学曾安平教授团队在专刊发表文章“Biotechnology for plastic production, degradation, and upcycling”，从塑料全生命周期出发，系统串联生物基生产、非生物与生物解聚、微生物同化和化学-生物协同高值化，旨在通过打通生产、材料功能与报废碳回收，为塑料循环经济提供借鉴。

塑料循环生物技术的全生命周期框架

一、简要介绍：从“塑料降解”到“塑料碳循环”

综述构建了一个由“碳源-生产-材料应用-使用后处理-循环输出”组成的统一框架。上游回答“用什么形式的碳源、如何有效制造不同形式的塑料及其单体”：例如微生物可以直接合成聚羟基脂肪酸酯（PHA），也可以发酵生产乳酸、琥珀酸、1,4-丁二醇、2,5-呋喃二甲酸等单体或平台化合物，再通过与化学聚合过程衔接，形成 PLA、PBS、PEF、生物基 PET 等材料。下游回答“如何高效打开聚合物、如何减少碳源损失”：根据聚合物结构和废弃塑料回收特性，选择机械回收、化学解聚、酶促水解、微生物同化或多技术协同高值化。文章特别区分了几组常被混用的概念：生物基描述碳源，不能直接说明可降解性；环境老化和碎裂不等于聚合物真正解聚；矿化虽然可使材料消失，却往往把碳释放为二氧化碳；升级循环（upcycling）着重强调将塑料衍生碳转化为单体、新材料或高值化学品。因此，评价塑料循环方案的核心判据，应从单纯的“外观是否变化”转向深度的“碳是否被可控释放、可靠追踪并重新进入可利用循环”。

图1. 塑料循环生物技术的全生命周期框架塑料按来源（化石基与生物基）及废弃后行为（持久性与可生物降解/可堆肥）的分类及代表性示例。注：强调“生物基 ≠ 可生物降解”；材料的最终去向取决于环境条件和化学结构；且具体环境背景（如淡水、土壤、海洋环境）会显著影响降解结果。

二、重要进展与研究趋势

2.1 生物基塑料的微生物制造

生物技术主要通过三类路径参与塑料生产：一是由微生物直接合成聚合物，以聚羟基脂肪酸酯为代表；二是通过发酵生产乳酸、琥珀酸和1,4-丁二醇等单体，再经化学聚合制备聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯等材料；三是利用生物或化学—生物耦合路线生产呋喃二甲酸、乙二醇、对苯二甲酸和乙烯等平台单体。文章强调，生物来源能够降低对化石碳的依赖，但并不会自动赋予材料可降解性，其性能与终端行为仍主要由化学结构决定。当前产业化主要受低成本原料波动、发酵效率、下游回收、聚合物品质及终端处置不匹配等因素制约，因此需要对原料、生产、材料性能和碳回收进行全生命周期协同优化。

图2. 生物基塑料的微生物生产路径。该示意图展示了生物基塑料的微生物生产，主要分为三条路径：细胞内直接合成聚合物、微生物生产单体后进行化学聚合，以及通过微生物或化学生物法生产平台单体。同时，该图总结了贯穿整个流程的共同瓶颈，包括原料选择、发酵性能、下游回收、材料性能以及废弃后处理的兼容性。

2.2 非生物老化、预处理与化学回收

文章严格区分了环境非生物老化、工程化预处理和化学回收。光照、热、氧、水及机械作用可使塑料发生氧化、断链和碎裂，但开放环境中的老化过程不可控，往往只是形成微塑料或复杂氧化产物，并不等同于塑料碳得到回收。工程化预处理则有目的地利用氧化、水解、链断裂和表面活化等作用，提高塑料对酶、催化剂或微生物的可及性；化学回收进一步通过水解、醇解、热解、催化氧化或氢解，将不同结构的塑料转化为单体、含氧化合物、烃类或芳香中间体。文章认为，非生物处理的价值不应以塑料质量是否减少来判断，而应关注产物组成、反应选择性、后续利用潜力及塑料碳能否被保留在可回收的物质流中。

图3. 环境非生物老化与工程化预处理及化学回收的对比。环境老化是一个不受控的过程，可能导致塑料碎裂或氧化，但无法实现碳的回收。它在循环处理中的意义主要在于其可借鉴的预处理原理，如氧化、断链、表面活化和润湿性增加。而工程化化学回收是一个独立且受控的过程，具有明确的催化剂、反应条件和产物回收目标。图中的虚线表示概念上的相互借鉴，而非工艺上的等同。

2.3 生物解聚、同化与矿化

塑料能否被生物处理，首先取决于其化学键是否可被酶接近和切断。聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯等含有可水解酯键，可在适当条件下被水解酶或解聚酶转化为低聚物和单体，但不同材料的实际处理路径并不相同：聚对苯二甲酸乙二醇酯更适合工程化酶法回收，聚乳酸通常需要先充分水解，聚羟基脂肪酸酯则天然连接微生物合成与降解。聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等碳—碳骨架塑料通常需要先经氧化或催化开链。文章还系统区分了表面附着、链断裂、产物生成、微生物同化和矿化，指出表面变化或失重不足以证明塑料碳被利用，可靠结论应建立在产物分析、同位素示踪和完整碳平衡基础上。

图4. 针对不同键合可及性塑料的生物处理路径。

2.4 化学—生物协同回收与高值化

化学—生物协同高值化的核心，是利用化学过程打开稳定的聚合物结构，再发挥酶和微生物在选择性转化与碳汇聚方面的优势。文章归纳了三类路线：非生物预处理后进行酶促或微生物降解，化学解聚后由工程微生物转化，以及酶法解聚后进行再聚合或化学升级。例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯可先分解为对苯二甲酸和乙二醇，再用于再聚合或生产聚羟基脂肪酸酯等产品；聚苯乙烯可经芳香中间体转化为黏康酸和己二酸；氧化后的聚乙烯和聚丙烯产物则可进入脂肪酸代谢。当前多数生物高值化路线仍处于实验室或早期开发阶段，真实废塑料中的杂质、混合底物、抑制物、低浓度产物流和分离成本，仍是实现规模化应用的主要障碍。

图5. 不同塑料的混合降解机制。该塑料升级回收的概念框架将混合升级回收分为三条互补路径：非生物预处理后进行酶或微生物降解、化学解聚后进行微生物转化，以及酶解聚后进行再聚合或化学升级。该布局突出了混合系统的核心逻辑：化学负责打开稳定的聚合物结构，而生物学则提供选择性和碳流的汇聚（碳漏斗效应）。

三、总结展望

未来塑料循环生物技术应从“追求降解”转向“设计碳去向”，重点突破可控终端设计、真实废塑料验证、酶的稳定性与实废耐受性、复杂中间体的微生物汇聚及高价值产品选择。不同塑料应依据用途、化学结构和收集条件，匹配机械回收、单体回收、受控生物降解或安全处置，并强化真实废物表征、标准对照和产物定量，推动塑料碳走向可追踪、可回收与高值利用。

03 论文信息

论文信息

Chunjun Zhan, Zhe Zhang, Guozhao Li, Qun Zhao, Xiulai Chen and Anping Zeng. Biotechnology for plastic production, degradation, and upcycling[J].Green Carbon, 2026.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2026.08.001

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Biotechnology for plastic production, degradation, and upcycling

04 作者简介

曾安平 教授

曾安平, 德国工程院院士，2022年春全职受聘于西湖大学，任合成生物学和生物工程讲席教授，校级合成生物学与生物智造中心创始主任，Green Carbon顾问委员会委员。回国前是汉堡工业大学终身教授，生物过程与生物系统工程研究所所长, 生物化学工程专业负责人。1990年获布朗瑞克工业大学博士学位，历任德国国家生物技术研究中心（GBF, 现亥姆霍兹感染研究中心HZI） 生化工程部实验室负责人和基因组学部系统生物学课题组长，澳大利亚科学与工业研究院（CSIRO）研究员及美国明尼苏达大学研究员。2004年成为布朗瑞克工业大学兼职教授，2005年分别获聘三所德国大学生物化工及动物细胞系统生物学专业终身正教授，2006年起受聘于汉堡工业大学。曾任德国化学工程和生物技术协会专业委员会 “生物过程工程”及“系统与合成生物学”专家组成员,“新一代生物制造系统”专业委员会主任，多次成为欧盟、德国科学基金委、联邦教育科研部等大型科研合作项目首席科学家，专家委员会成员和主任。Wiley学术杂志Engineering in Life Sciences主编。

战春君 研究员

战春君，西湖大学研究员，国家级人才，浙江省千人，Green Carbon青年编委。博士以及博后期间致力于设计与改造微生物细胞代谢，构建新型绿色、低碳细胞工厂，并以此为基础促进低碳非粮碳源微生物转化的研究。近年来，基于合成生物学理念，系统采用模型预测、代谢工程以及酶工程等策略，从“碳源底物替代”- “碳硫途径增效” -“碳循环体系闭合”入手，通过强化“关键元件挖掘-途径整合优化-系统协调进化”，推进微生物在“碳达峰”、“碳中和”以及“绿色生物制造”中的应用并以第一作者在Nature Catalysis（封面）、Nature Metabolism、 Metabolic Engineering, Green Carbon以及Biotechnology and Bioengineering等行业内极具影响力的期刊上发表多篇与“低碳非粮碳源微生物转化”相关文章。

05 Green Carbon

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