近日，南开大学陈瑶教授、南京师范大学黄和院士、爱尔兰利默里克大学Michael J. Zaworotko教授（共同通讯）合作，开发出一种酶@MOF平台，成功制备出可在土壤中自发高效降解的聚酯复合材料。

 

该研究构建了酸响应型酶 @MOF 固定化平台，将脂肪酶 / 蛋白酶 / 角质酶等封装于 MIL‑88A 等生物相容性 MOF 中，再通过工业兼容工艺嵌入PCL、PLA 、PBS等聚酯塑料，实现雨水触发、土壤中快速可控降解，且降解产物可促进植物生长。相关工作以“Spontaneous efficient degradation of polyesters in soil by an enzyme@MOF platform”为题，4月25日发表于Nature Communications。

 

实验方法

 

• 酶筛选与固定化：筛选高活性低成本脂肪酶 FM‑10，室温水相一锅法原位封装于 MIL‑88A 等 MOF，制备酶 @MOF 颗粒；

• 复合塑料制备：通过溶液浇铸、3D 打印、螺杆挤出等工艺，将酶 @MOF 嵌入 PCL、PLA、PET、PBAT、PBS、PEF 等聚酯基体；

• 性能表征：SEM/PXRD/FT‑IR/CLSM 表征结构，拉伸 / 热重测试力学与热稳定性；

• 降解测试：缓冲液水解、土壤埋置、模拟堆肥评价降解效率；

• 产物与安全性：GPC/HPLC/LC‑MS 分析降解产物，MTT 测试细胞毒性，玉米盆栽验证产物肥效。

 

图文解析

 

图1. （a）酶工程、（b）酶保护剂添加以及（c）本文报道的酶@MOF塑料降解方法的示意图。 

 

研究团队首先对五种脂肪酶的活性进行了系统筛选。结果显示，PS脂肪酶和FM-10脂肪酶在40–55°C、pH 6.8条件下表现出最佳催化水解活性。考虑到FM-10的商业成本仅为PS的约三百分之一（9100美元/吨 vs. 276.6万美元/吨），团队最终选定FM-10作为降解PCL的生物催化剂。与此同时，他们选择了由富马酸和三价铁离子构成的MIL-88A作为酶载体。这种MOF不仅可在室温水中低成本大规模合成，且经MTT法验证，即使浓度高达600 μg/mL，细胞存活率仍大于99%，生物相容性优异。更重要的是，MIL-88A在pH 5.6–6.8的弱酸性环境中能够酸响应性降解，而天然雨水因溶解大气二氧化碳恰好呈此弱酸性，这为野外按需释酶提供了理想机制。

 

在最优初始酶浓度8 mg/mL条件下，团队采用一锅法原位包封，成功制得FM-10@MIL-88A复合物。扫描电镜和粉末X射线衍射显示，包封后MIL-88A的结晶度和形貌得以保持；傅里叶变换红外光谱在3250 cm⁻¹和2920 cm⁻¹处出现新的吸收峰，证实FM-10成功负载。共聚焦激光扫描显微镜进一步确认，FITC标记的FM-10（绿色荧光）在MIL-88A中均匀分散。该复合物在有机溶剂处理后仍保持优异催化活性，且24小时内的MOF降解率达65%，伴随75%的酶释放，整体催化活性随酶累积释放而逐步提升。

 

随后，团队将FM-10@MIL-88A嵌入PCL基体中，制备出FM-10@MIL-88A&PCL复合塑料。PXRD图谱显示，复合材在21.2°和23.5°处出现了对应PCL（110）和（200）晶面的特征峰。应力-应变测试表明，当FM-10@MIL-88A添加量为4 wt%时，复合材的力学性能与纯PCL相比变化不足5%；若增至6 wt%，关键力学参数则下降超过10%。因此，4 wt%被确定为兼顾催化性能与力学性能的最优添加量。断面的SEM和CLSM图像清晰显示FM-10@MIL-88A颗粒均匀分布于PCL基质中（图2c、f、g、h）。此外，团队还验证了该方法对其他MOF载体（如Ca-BDC、ZPF-2、ZIF-L）的普适性，所有FM-10@MOFs&PCL复合塑料在24小时内水解率均超过95%。细胞毒性实验表明，四种复合材料的相对细胞存活率均高于90%，与商用食品包装材料相当。

 

图2. FM-10@MIL-88A&PCL的表征与工艺优化。 （a）FM-10@MIL-88A&PCL的制备。（b）不同初始酶浓度下FM-10@MIL-88A的催化速率（柱状图）和酶载量（折线图）。（c）FM-10@MIL-88A的扫描电镜图像。（d）FM-10、MIL-88A和FM-10@MIL-88A的傅里叶变换红外光谱。（e）PCL、FM-10@MIL-88A和FM-10@MIL-88A&PCL的粉末X射线衍射图谱。（f）FM-10@MIL-88A&PCL的横截面断裂面扫描电镜图像。（g）断裂区域的放大图像，显示PCL基体中FM-10@MIL-88A颗粒的存在。（h）FM-10@MIL-88A&PCL的横截面共聚焦激光扫描显微镜图像，显示PCL基体内FITC标记的FM-10@MIL-88A（绿色）。（i）PCL和FM-10@MIL-88A&PCL的应力-应变曲线。 

 

在降解性能评估中，掺杂4 wt% FM-10@MIL-88A的复合塑料在24小时内水解率超过98%，而相同条件下不含酶的MIL-88A&PCL仅降解约2.5%。热重分析和差示扫描量热法证实，加入生物催化剂并未显著改变PCL基体的热稳定性和结晶性质。为验证MOF封装对酶保护的必要性，团队比较了不同制备方法的降解效率：通过3D打印（90°C喷嘴加热15分钟）制备的FM-10@MIL-88A&PCL仍保持高效降解，而直接添加游离酶的FM-10&PCL和物理混合的FM-10-MIL-88A&PCL在相同高温加工后降解效率大幅下降。这表明MIL-88A的封装在高热加工过程中对酶起到了关键保护作用。团队进一步实现了42.6克级FM-10@MIL-88A的放大合成，并通过单螺杆挤出造粒成功制备复合塑料，72小时内水解率超过98%（图3a–i）。

 

图3. 不同生产方法制备的复合塑料降解性能评估。 （a）FM-10@MOFs&PCL的降解效率。所有复合塑料均在24小时内降解超过95%（40℃，pH=6.8）。（b）通过3D打印机制备的含FM-10@MIL-88A的复合塑料。（c）3D打印复合塑料在40℃（pH=6.8缓冲液，48小时）下降解。（d）制备方法对FM-10&PCL、FM-10-MIL-88A&PCL和FM-10@MIL-88A&PCL降解的影响。（e）温度对FM-10、FM-10-MIL-88A和FM-10@MIL-88A催化活性的影响。（f）42.6克规模合成的FM-10@MIL-88A的粉末X射线衍射图谱和（g）照片。（h）通过单螺杆挤出和造粒制造复合塑料。（i）造粒复合塑料的水解测试。 

 

对于熔融温度更高的PLA塑料（加工温度160°C），团队采用蛋白酶K作为降解酶，并引入海藻酸钠作为保护助剂，制得prok@MIL-88A@SA&PLA复合材。经160°C热处理后，该复合材在48小时内仍实现约96%的降解效率，而仅含MIL-88A@SA的对照组仅降解3.4%。力学测试显示，添加5 wt% prok@MIL-88A@SA后，PLA复合材的拉伸强度略微增加4.4%，断裂伸长率轻微下降8.2%。该策略还被推广至其他商业聚酯：使用叶枝堆肥角质酶LCC降解PET和PBAT，使用特异腐质霉角质酶HiC降解PBS和PEF，所得复合材均在36小时内达到超过95%的降解效率，充分证明了酶@MOF封装策略的通用性。

 

在日常使用稳定性方面，研究团队对比了FM-10&PCL和FM-10@MIL-88A&PCL。水解实验显示，FM-10&PCL在7天内的质量损失高达39.5%，而FM-10@MIL-88A&PCL在同样浸水条件下质量几乎不变。应力-应变曲线进一步证实，浸水7天后FM-10&PCL的力学性能显著下降，而封装后的复合材基本保持不变。这是由于游离酶与聚酯直接接触导致了过早的不可控降解，而MIL-88A封装则有效屏蔽了酶与聚合物链的相互作用。在室温、30–65%相对湿度下储存5周后，复合材未检测到质量损失，力学性能保持良好；即使在超过95%极端湿度下放置5天，稳定性依然优异。空气中储存3个月后，FM-10@MIL-88A&PCL的降解能力仍大于95%，而同条件下FM-10&PCL仅2周后性能即大幅衰退。

 

图4. 塑料膜在缓冲液中降解的比较。 （a）FM-10&PCL和（b）FM-10@MIL-88A&PCL的水解（40℃，pH=6.8缓冲液）。FM-10@MIL-88A&PCL在24小时内降解>98%。（c）PCL、FM-10&PCL和FM-10@MIL-88A&PCL的失重率（40℃，pH=6.8缓冲液）。（d）FM-10&PCL和FM-10@MIL-88A&PCL在室温水中（pH=7.0）浸泡后的质量变化率。（e）FM-10&PCL和FM-10@MIL-88A&PCL在水中浸泡7天后的应力-应变曲线。（f）FM-10&PCL和（g）FM-10@MIL-88A&PCL的水解机理示意图。（h）不同水解时间下FM-10@MIL-88A&PCL的傅里叶变换红外光谱。（i）PCL和FM-10@MIL-88A&PCL水解产物的凝胶渗透色谱图。PCL主峰消失，水解产物的分子量<1000 g/mol。（j）水解产物和6-羟基己酸标准品的高效液相色谱图。 

 

对降解产物的分析揭示了降解路径。FT-IR光谱显示，降解18小时后，复合材在1698 cm⁻¹处出现新峰，表明羧基端基生成。凝胶渗透色谱结果表明，24小时后复合塑料几乎完全降解，水解产物分子量降至1000 Da以下。紫外-可见光谱、高效液相色谱和液相色谱-质谱联用确认水解产物为6-羟基己酸及其低聚物。此外，游离酶降解体系受到膜厚和缓冲液体积的严重制约：当缓冲液从30 mL增至900 mL时，游离酶对PCL的降解效率下降超过68%；而FM-10@MIL-88A&PCL的降解效率不受膜厚和体积影响，展现出其在野外大规模应用的独特优势。

 

在户外土壤降解实验中（测试期间有短期降水），纯PCL塑料降解缓慢，而FM-10@MIL-88A&PCL复合塑料在7天内降解超过90%，10天内几乎完全降解。值得注意的是，降解速率在第3天显著加快，这与MIL-88A持续分解并释放酶分子和酶激活剂Fe³⁺相吻合。在模拟工业堆肥环境中，复合材在18小时内几乎完全降解，而纯PCL仅降解约5%。PLA复合材在30天土壤掩埋测试中降解超过95%，纯PLA则不足6%。玉米种植实验进一步表明，含有复合材降解产物的土壤组与对照组相比，玉米幼苗的鲜重、干重、根长、茎高和叶长分别增加约43.5%、52.2%、18.1%、26.2%和28.3%，叶绿素含量提升约15.0%。这说明降解产物中的Fe³⁺和富马酸可被植物吸收并促进生长（图5）。

 

图5. PCL和FM-10@MIL-88A&PCL在野外的降解。 （a）PCL和FM-10@MIL-88A&PCL在户外土壤中降解的示意图。土壤中（b）PCL和（c）FM-10@MIL-88A&PCL在第0、3、7和10天降解的图像。FM-10@MIL-88A&PCL在10天内在户外土壤环境中实现了接近完全降解。（d）对照组和含FM-10@MIL-88A&PCL降解产物土壤中玉米幼苗生长两周后的数码图像。玉米幼苗参数的定量分析，包括（e）重量、（f）长度和（g）叶绿素含量。

 

总结而言，本研究报道了一类由聚酯和酶@MOF平台构成的新型复合塑料，兼具易加工性、成本效益（仅增加4.8%）和环境耐受性，实现了废弃塑料在自然环境中的自发降解。MOF不仅能够在螺杆挤出、3D打印和溶液浇铸等工业兼容加工过程中保护酶活性，还可在雨水、土壤等环境条件下实现pH响应性酶释放，从而在野外促进废塑料降解。复合塑料的力学性能、稳定性和细胞相容性与PCL本身相当。尤为重要的是，PCL复合材在日常使用（优异储存和水稳定性）中保持稳定，废弃后在野外自发降解（10天内近完全降解），完全避免了收集、分拣和堆肥的需求。降解过程中产生的有机化合物和金属离子对植物生长有益。对于高熔点PLA塑料，海藻酸钠的引入显著增强了酶的耐热性。该策略为大规模制造、低成本原料和高效降解提供了广阔前景。