当前商用的生物降解塑料以可堆肥聚酯为主，其降解性能围绕工业堆肥的高温、高湿与高微生物活性条件进行优化。这类材料一旦进入深海，面对的是低温、高静水压与稀疏的微生物群落，降解能力有限，可能在海洋中长期留存。将酶直接嵌入聚酯基体以加速降解，是该领域自 2021 年以来的主要技术路径之一，但既有验证大多局限于实验室或封闭培养体系。酶在真实海底是否仍然有效，此前没有答案。

【生物基能源与材料】获悉，10 月 21 日，东京大学 Tadahisa Iwata（岩田忠久）课题组联合日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）与群马大学，在 Nature 在线发表研究论文 “Enzyme-embedded polyesters for accelerated biodegradation in the deep sea”。

论文亮点

验证场景首次从实验室推进到真实深海原位。 此前酶嵌入聚酯的验证基本局限于实验室或封闭培养体系。这次通过“深海6500”载人潜器，在日本近海五个站点（2–6 m 至 5503 m）实际布放回收，拿到了第一手原位降解证据。

用 90–130℃、5 分钟以内的熔融挤出把酶嵌进基体，并证明高负载可行。 不追求酶的热稳定性极限，改走温和短时加工配高负载（深海组 3 wt%）的路线，加工后仍保持降解活性，为规模化生产留出了工艺接口。

给出深度与降解效率的定量关系。 757 m 站点 5 个月接近完全降解；同为 CaLB 嵌入 PCL，757 m 十八个月失重 99.0%，5503 m 仅 7.7%。论文将差异归于水温、静水压、微生物丰度与多样性三方面因素，说明深海不是单一温度变量能解释的场景。

01

90–130℃ 挤出 5 分钟，酶仍保持活性

研究采用双螺杆熔融共混工艺实现酶的嵌入，加工温度 90–130℃，停留时间控制在 5 分钟以内，成膜厚度 100–300 μm，微珠直径 20–300 μm。这一工艺路线未追求酶的热稳定性极限，而是以温和短时加工配合较高的酶负载量（深海组 3 wt%），为规模化生产打下基础。

薄膜以 1 mm 孔径聚乙烯网袋封装，微珠以 55 μm 孔径网袋封装，前者容许小型生物进入，后者防止微珠散失。全部样品由“深海6500”载人潜器的机械臂完成海底布放与回收。

站点设置覆盖近海至深渊梯度：PJM 位于 JAMSTEC 横须贺本部港内（2–6 m），BMS 位于三崎港外（757 m），BHT 位于初岛外（855 m），BMJ 位于明神海丘（1292 m），AKR 位于黑潮延伸区观测点（5503 m）。酶负载量按投放环境分档，近海为 0.1 wt%，深海提高至 3 wt%。

02

同一种膜，18个月，水深757米失重 99.0%，5503米仅 7.7%

CaLB 嵌入样品在多站点的 18 个月投放结果显示明显的站点分层（Fig.2a）。

BMS 站点（757 m）PBSA失重 57.3%，PCL 达 99.0%；

深度增至 AKR 站点（5503 m）后，PBSA 降至 30.5%，PCL 仅 7.7%。

同站点无酶对照 18 个月的失重范围为 0.4%–12.9%。

论文将这一差异归于三方面因素：较低的水温、较高的静水压，以及降低的微生物丰度与多样性。

酶种之间的差别同样存在。

在 BHT 站点（855 m）的对比中，HiC 组投放 7 个月、CaLB 组投放 8 个月，前者时间更短，质量损失与降解速率仍优于后者（Fig.2c）。论文将 HiC 的优势归于其催化位点位于浅表暴露区，不同于深漏斗状的活性口袋，更易接触底物。

同一张图还给出了近海条件下的对照。PJM 站点（2–6 m）投放 1 个月，0.1 wt% CaLB 嵌入的 PBS、PBSA、PCL 质量损失分别为 34.0%、12.9%、54.0%，无酶对照为 0.8%、2.3%、23.4%（Fig.2a）。近海投放的负载量为 0.1 wt%，深海为 3 wt%，前者条件下 1 个月即产生上述失重。

03

有酶 VS 无酶，降解速率差异100倍

BMS 站点水深 757 米，投放周期 5 个月。3 wt% HiC 嵌入的 PBS、PBSA、PCL 薄膜质量损失接近 100%（approaching 100%），无酶对照几乎不失重，最高一档仅 3.4%。同批 PBAT 失重 12.1%，降解速率明显低于三种脂肪族聚酯，论文将这一差异归于 PBAT 的芳香族组分。

以降解速率表述更为清晰：HiC 嵌入的 PBS 达 97.0 ± 3.6 μg/(cm²·d)，无酶 PBS 仅 0.9 ± 0.1 μg/(cm²·d)，两者相差两个数量级。

回收样品的形貌分析显示，HiC 嵌入 PBS 膜虽大幅失重，仍保持连续膜状结构，分子量无明显变化（Extended Data Fig.9a），降解主要发生于嵌入酶周围的局部区域，而非整片材料同步解体。微珠样品呈现相同的局部侵蚀特征（Fig.3e）。

04

加入0.1 wt% 的酶，50.9%的碳变成二氧化碳

质量损失之外，研究以 BOD 实验考察了矿化程度。

0.1 wt% HiC 嵌入的 PBS 矿化率为 50.9%，接近纤维素膜的 59.3%，无酶 PBS 仅 4.7%（Fig.4b，n=3）。实验室条件下以东京湾海水 25℃ 浸泡 2 周的微珠样品同样呈现差异，0.1 wt% HiC 嵌入的微珠表面出现明显侵蚀，无酶微珠相对完整（Fig.4e）。

该结果表明酶嵌入不仅促进质量损失，也推动聚合物碳向二氧化碳的转化。这一层对降解效果的评价尤为关键，失重只说明材料碎裂或溶出，矿化才意味着碳真正进入环境循环。

酶嵌入聚酯的路线可追溯至 2021 年。加州大学伯克利分校徐婷团队在 Nature 报道了纳米分散酶方案（Nature 592, 558–563），着力解决酶在基体中的分散尺度；2024 年，图卢兹生物技术研究所 Alain Marty 与 Isabelle André 团队报道了经结构理性设计的 PLA 水解酶（Nature 631, 884–890），以耐热性设计使嵌入兼容更高加工温度，该研究作者多数为 Carbios 员工，Marty 本人担任该公司首席科学官。本次 Iwata 课题组沿用的是酶嵌入基体这一技术范式，酶种与上述两项并不相同，其着力点在于把验证场景从实验室推进至真实深海原位。

参考文献

Huang, Q. Y., Iida, N., Isobe, N. et al. Enzyme-embedded polyesters for accelerated biodegradation in the deep sea. Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11192-1

DelRe, C., Jiang, Y., Kang, P. et al. Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes. Nature 592, 558–563 (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03408-3

Guicherd, M., Ben Khaled, M., Guéroult, M. et al. An engineered enzyme embedded into PLA to make self-biodegradable plastic. Nature 631, 884–890 (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07709-1

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