关键词：聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚丁二酸-己二酸丁二醇酯（PBSA）、聚己内酯（PCL）、聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）
Enzyme-embedded polyesters for accelerated biodegradation in the deep sea
Nature，21 October 2026
https://www.nature.com/articles/s41586-026-11192-1
一、研究背景
塑料污染已演变为威胁全球海洋生态系统稳态的关键环境问题。传统石油基塑料在海洋环境中可存续数百年，持续破碎形成微塑料，沿食物链富集，对海洋生物及人体健康构成潜在风险。为应对该问题，PBS、PCL、PBAT 等脂肪族/脂肪-芳香族共聚酯被广泛开发，这类材料在工业堆肥的高温、高微生物丰度条件下能够被微生物酶解，被视作替代传统塑料的绿色候选材料。然而，海洋环境与工业堆肥条件差异显著：深海区域低温、高压、营养匮乏、微生物活性低，绝大多数商用可降解聚酯在深海环境中降解进程极其缓慢，依然会长期留存于深海沉积物中，无法从根源上消除塑料污染。如何提升可降解聚酯在深海极端环境下的生物降解能力，是当前环境材料领域亟待突破的关键问题。
酶催化水解是聚酯生物降解的核心步骤。本研究设计热加工酶包埋路线，通过熔融挤出、模压成型等工艺，在保证酶保留催化活性的前提下将酶均匀分散于聚酯基体内部，构建自催化降解聚酯材料。依托深海潜器开展原位投放试验，在不同水深梯度下系统评价材料降解行为，探究酶包埋体系在近海、深海、超深渊环境中的降解规律，同时评估改性对材料力学性能、矿化行为的影响，为适配海洋环境的可降解高分子材料开发提供新思路。
二、实验部分
1、材料制备
选用 PBS、PBSA、PCL、PBAT 四种聚酯原料，采用两条加工路线制备酶包埋聚酯样品：
薄膜样品：聚酯粒料与酶共混后，90–130 ℃熔融挤出，随后模压成型得到酶包埋聚酯薄膜；
微球样品：聚酯与酶在硅油体系中 130–160 ℃加热均质化，乳化冷却得到酶包埋聚酯微球。
所有样品封装于 PE 网袋（两种孔径规格），隔绝大型生物摄食，同时保证海水、微生物自由接触材料表面。对照组为不含酶的纯聚酯薄膜与微球。
2、深海原位投放实验
投放点位设置于日本周边海域，覆盖近海（2–6 m）、757 m、1292 m 以及 5503 m 超深渊海床，依托载人潜器完成样品布放与回收。
回收后对样品开展多维度表征：表面形貌观测、质量损失与厚度变化统计、降解速率定量计算、附着微生物群落测序分析；同步开展实验室海水体系 BOD 测试，评价材料矿化水平。
3、表征与测试
采用扫描电镜观察降解前后表面形貌；万能材料试验机测试拉伸力学性能；液相色谱分析降解中间产物；BOD 分析仪测定生化需氧量；高通量测序分析材料表面生物膜微生物群落组成。
三、结果与讨论
酶包埋改性聚酯在各水深环境中均展现出显著优于纯聚酯的降解性能。在 757 m 深海点位，酶包埋 PBS 基样品5个月内质量几乎完全损失，实现近完全降解；在 5503 m 超深渊极端低温高压环境，材料依然可以发生中等程度的生物降解，证明包埋酶能够在深海苛刻条件下维持水解活性。近海实验结果显示，仅 0.1 wt% 极低添加量的酶即可触发聚酯快速降解，具备低成本应用潜力。
力学测试结果表明，酶的引入不会明显劣化聚酯基体的力学性能，材料依然保有作为包装、一次性制品所需的结构强度，兼顾使用稳定性与废弃后降解能力。降解产物分析证实聚酯大分子链被酶催化断裂，生成小分子羧酸类中间体；BOD 结果证明小分子产物可进一步被微生物利用、转化为无机物，实现矿化，而非仅仅碎片化形成微塑料。
深海原位环境差异显著：水深增加带来温度降低、压力升高、营养盐匮乏，会抑制游离微生物分泌降解酶。而本体系将酶预先锁在材料内部，材料遇水后酶逐步发挥催化作用，从内部驱动高分子水解，摆脱了对原位土著微生物产酶能力的依赖，这是该体系在深海实现高效降解的核心机制。
该体系仍存在待优化方向：长期高压低温下酶的活性保留时长、不同聚酯基体与酶的匹配性、规模化热加工过程中酶活损失控制，是后续工程化需要解决的问题。
四、结论
本工作通过热加工酶包埋策略，成功构建了一类可在深海环境快速降解的聚酯材料。该改性方案适用于 PBS、PBSA、PCL、PBAT 多种主流可降解聚酯，在 757 m 深海 5 个月近完全降解，在 5503 m 超深渊环境仍具备降解活性，微量酶添加即可在近海海水实现快速降解，且保留基体原有力学性能。酶催化水解耦合微生物矿化的路径，避免塑料碎片长期留存深海。该自催化酶包埋聚酯策略，突破了传统可降解聚酯仅能在堆肥条件降解的局限，为面向海洋场景的环境友好高分子材料开发、深海塑料污染防控提供了新方案。
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