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近日，美国国家可再生能源实验室（NREL）领衔的 BOTTLE 联盟研究团队在 Nature Communications 发表最新研究，提出了一种化学与生物过程相结合的混合升级回收工艺，可将废弃聚苯乙烯高效转化为尼龙 6,6 的关键单体己二酸，文章标题为“Upcycling waste polystyrene to adipic acid through a hybrid chemical and biological process”。该研究不仅展示了技术路径的可行性，还通过严格的模型评估表明，采用该路线生产己二酸可较传统石油路线减少约 61% 的温室气体排放，为塑料废弃物的高值化利用提供了切实方案。

该工艺的首要环节是将聚苯乙烯通过催化氧化转化为苯甲酸。传统工艺通常以乙酸作溶剂，但聚苯乙烯在乙酸中的溶解性差，反应效率有限且溶剂回收困难。研究团队创新地以产物苯甲酸本身作为反应介质，借助熔融状态下苯甲酸对聚苯乙烯的良好溶解性，成功建立了均相氧化体系，使反应更加充分。在仅使用锰与溴作为催化剂的条件下，体系在两小时内即可获得94%的苯甲酸产率。这种简化的催化体系避免了传统钴锰溴锆多组分体系的复杂性，降低了金属消耗与后处理成本。此外，团队引入水作为共溶剂以缓解放热反应带来的安全风险。水的蒸发效应帮助维持体系温度稳定，且对反应产率影响极小。该设计使工艺能够兼容多种来源的真实废弃聚苯乙烯，包括白色和黑色泡沫塑料、外卖杯盖等，均能保持在 84% 至 94% 的高产率水平。

图 | 聚苯乙烯转化工艺流程简图

化学转化得到的高纯度苯甲酸随后被引入合成生物学模块。研究团队利用工程化的恶臭假单胞菌 Pseudomonas putida KT2440-CJ074 进行苯甲酸的生物转化。通过强化关键代谢酶 CatA1 的染色体表达，使苯甲酸的代谢中间体儿茶酚能够高效地转化为粘康酸。同时，删除 pcaHG 和 catB 基因以阻断粘康酸的进一步代谢，使其在胞内不断积累。该改造后的菌株在以商业苯甲酸或废弃塑料来源苯甲酸为底物时均表现出高水平的催化能力，在生物反应器中粘康酸产量约为 30 g/L，摩尔产率高达96%，表明化学预处理生成的苯甲酸纯度足以支撑高效生物转化且无毒性影响。这一结果展示了化学与生物环节之间的良好兼容性，打通了从塑料废弃物到平台化学品的闭环路径。

最终步骤为将生物法合成的粘康酸催化氢化生成己二酸。该过程在温和条件下完成，使用 Pt/C 催化剂，在 40℃、20 bar 氢气条件下反应 7.5 分钟即可实现粘康酸的完全转化，得到纯度达 99.64% 的己二酸产品。这一高选择性氢化反应使整个工艺在化学效率、能耗与产品纯度上均达到了工业化潜力所需的指标。

为验证该工艺在产业化方向的可行性，研究团队进行了详细的技术经济分析和生命周期评估。模型预测，在当前条件下，该工艺生产的己二酸最低可行销售价格约为每公斤 3.18 美元。尽管与石油基己二酸的市场价相比仍略有差距，但分析表明，通过优化反应设备投资、开发耐酸菌株或改进 pH 调控方法以降低硫酸消耗，以及提升生物转化效率，可显著降低成本并提升整体经济性。在环境层面上，从原料收集、反应过程到产品分离的全流程分析显示，该混合工艺较石油路线可减少 61% 的温室气体排放。考虑到己二酸的全球年产量约为 300 万吨，这一减排潜力对化工行业的碳中和进程具有重要意义。

图 | 苯甲酸生物转化与己二酸合成过程的技术经济与生命周期分析结果

总体来看，这项研究在化学催化与合成生物学结合的思路上实现了实质性突破。以产物苯甲酸为溶剂的高效解聚反应和基因精准改造的工程菌系统共同构成了聚苯乙烯升级回收的核心路径，使“塑料降解”从被动处理转变为主动再造，赋予废弃材料新的化学价值。研究团队的成果为聚苯乙烯这类难降解塑料提供了全新利用方向，也为实现碳中和目标下的可持续化工提供了技术参考。未来，若能进一步提高生物转化效率、优化氢化工艺并实现过程一体化放大，该方法有望成为聚苯乙烯回收与高值化利用的工业范式，为塑料循环经济开辟新的发展路径。

参考链接：

1. Moon, H., DesVeaux, J.S., Van Roijen, E.C. et al. Upcycling waste polystyrene to adipic acid through a hybrid chemical and biological process. Nat Commun 16, 9543 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64561-1