东京大学研究生院农学生命科学研究科特任助教黄秋源、教授岩田忠久，海洋研究开发机构主任研究员矶部纪之、上席研究员野牧秀隆，群马大学研究生院食健康科学研究科教授粕谷健一等人组成的研究团队，把能够分解生物可降解塑料的天然来源降解酶提前掺入塑料中，成功地开发出了使塑料在从浅水到深海的各类海洋环境中都能被生物降解的新技术。这一创新思路能够让材料保持与原有塑料同等的强度和柔韧性的同时，即使材料沉降、扩散到低温、高压的深海，也能维持生物可降解性，并大幅加快生物降解速率。相关研究成果已发表于期刊《Nature》。
图1 内嵌酶生物可降解塑料的制备以及在深海中降解的薄膜（供图：东京大学，图中照片：JAMSTEC）
目前，全球塑料年产量约为4亿吨，每年或有约800万吨塑料垃圾流入海洋。聚乙烯、聚丙烯等通用塑料无论在山地、河流、湖泊还是海洋等环境中，都需要300到400年以上才能分解。在这样的背景下，目前业界迫切希望开发出能够在各类自然环境中借助微生物作用彻底分解为二氧化碳和水的生物可降解塑料。
图2 设置于深海(A)及海岸(B)的无内嵌酶和有内嵌酶生物可降解塑料的重量减少率。请注意，深海与岸壁的样品放置时间不同。（供图：东京大学）
2024年研究团队在世界上首次揭示，多种生物可降解塑料可在水深757米至5552米的深海海底被微生物降解。但研究同时发现，除聚羟基烷酸酯（PHA）之外，其他生物可降解塑料在深海中的降解速率非常慢，即便是降解较快的材料，完全降解也需要数年。研究团队还分析了放置在深海的塑料薄膜表面附着的微生物菌群，结果显示，并非所有海域都存在能够降解各类生物可降解塑料的微生物。
在本次研究中，研究人员把天然来源的降解酶掺入了生物可降解塑料，开发出一种即使在深海这类降解微生物稀少的极端环境中，也能快速被生物降解的内嵌酶的生物可降解塑料。
开发的内嵌酶生物可降解塑料薄膜（4厘米×4厘米×100微米）和微珠（直径20至200微米），是在高于各材料热软化点的温度下，将两种天然降解酶（角质酶、脂肪酶）与四种生物可降解塑料（PBS、PBSA、PCL、PBAT）共混制备而成的。
研究团队借助载人潜水器“深海6500”，把有内嵌酶的生物可降解塑料、无内嵌酶的生物可降解塑料和通用塑料放置在4处水深不同的深海（757米至5503米），时间为3个月到18个月，并分析样品的重量、形状变化以及表面附着的微生物。与此同时，研究人员还在海洋研究开发机构附近漂浮塑料垃圾较多的东京湾岸边（神奈川县横须贺市，水深约2至6米）放置了同样的样品，比较两者的降解速率。
结果证实，在所有深海点位，与无内嵌酶的薄膜相比，有内嵌酶的生物可降解塑料薄膜降解速率都有所加快。其中，放置在神奈川县三崎外海深海（水深757米）5个月的PBS、PBSA、PCL三种内嵌酶薄膜几乎完全降解。考虑到在无内嵌酶的情况下，薄膜重量减少率最多也仅有3.4%，由此可看出内嵌酶薄膜的降解速度快得惊人，约为前者的30倍。这一结果证实，即使在低温（4℃）、高压（7.6MPa）的深海极端环境下，内包在塑料中的酶也不会变性或失活，而是维持降解活性，使作为底物的塑料的分解得以持续。
此外，在岸边（常温、常压环境），内嵌酶带来的促降解效果表现得更为明显：PBSA和PCL仅用1个月就几乎完全降解。这一结果提示，内嵌酶技术不仅适用于深海环境，更有望在普通自然环境中发挥较高应用价值。
同时，鉴于研发出的微珠在各类海洋环境中都能快速降解，内嵌酶生物可降解塑料可谓一种能够遏制塑料碎片化带来的微塑料污染加剧问题的优良材料。
研究团队表示，今后将验证材料在实际使用环境中的长期耐久性和安全性，把这一技术拓展到更多生物可降解塑料材料，并围绕社会应用持续推进相关研究，提升内嵌酶工艺效率、降低成本、实现规模化。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature
论文：Enzyme-Embedded Polyesters for Accelerated Biodegradation in the Deep Sea
DOI：10.1038/s41586-026-11192-1
