填埋、焚烧、回收和生物降解是解决当前塑料废物问题的主要战略。然而，实现塑料垃圾最终生物修复的最有前途和最环保的策略可能在于微生物介导的降解。塑料的微生物降解通常是催化聚合物键裂解成单体的酶过程。
在各种类型的塑料垃圾中，聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)和聚乙烯(PE)构成了巨大的塑料污染负担的大多数(46.5%)。PET和PE作为化合物，都具有许多不可生物降解的特性，如长碳链、高分子量、高拉伸强度、低透气性、耐物理和化学降解等。近日，中科院海洋研究所孙超岷团队首次发现能有效降解塑料垃圾的海洋微生物菌群和酶。
01
高效降解PET和PE的海洋细菌群落的发现
为了获得能够降解PET或PE的海洋细菌，科学家们从中国青岛一个海湾的不同地点收集了大约300个塑料碎片污染的海洋沉积物样品。利用这些样本，筛选出能够使用含PET的塑料饮料瓶或商用PE袋作为主要碳源的微生物。研究者们们在一个塑料碎片样本中，获得了一个独特的菌群(名为CAS6)，能够有效地在PET(图1B)和PE膜(图1D)上定殖。在PET或PE膜的表面，CAS6形成了一层清晰的生物膜层，该生物膜中的细菌细胞相互作用紧密，呈丝状结构(图1G和1J)。当去除微生物膜层时，在扫描电镜下观察到PET和PE膜的明显的形态变化(图2)。在PE表面甚至薄膜内部观察到许多严重的裂缝和深孔(图2F-H)。
图1 菌群CAS6在含添加剂PET和PE薄膜上的定殖
图2 菌群CAS6对含添加剂PET和PE薄膜降解效果的检测
研究者再用不含任何添加剂的PET和PE薄膜重复了菌群降解试验。结果和前者一样，PET和PE无添加剂薄膜在4周的处理后也被菌群CAS6明显降解(图3)。并且发现菌群CAS6更降解纯PE(图3J)能力大于纯PET(图3G)。总体而言，已经确定并表征了能够降解PET和PE薄膜的菌群CAS6的功能。
图3 菌群CAS6在无添加剂PET和PE薄膜上的定殖降解效果观察
02
降解菌的分离和塑料降解功能群落的重建
研究人员通过对这个微生物区系的16S rRNA序列进行了绝对定量分析，进一步研究菌群CAS6的组成和塑料降解动力学。生长曲线表明菌群CAS6中的细菌可以利用塑料作为营养来源。扫描电镜观察中，发现PET(图4B)和PE膜(图4C)上的微生物层的厚度和密度都随着培养时间的延长而增加。在孵化7天(图4B和4C，阶段V)和14天(图4B和4C，阶段VI)后，观察到明显的裂纹和塑料膜降解的迹象。在7天的孵化时间点对菌群CAS6内细菌的16S rRNA序列进行了绝对定量分析，发现有5类细菌为优势种群，结合培养技术成功获得上述5类细菌的纯培养菌株，其中3株具有明显降解塑料的能力。将该3株细菌按照一定比例进行复配，成功获得一个能稳定共存并具有显著降解PET和PE塑料垃圾的菌群，该菌群尤其喜好降解PE塑料，两周时间可以将PE降解为碎片。
图4 菌群CAS6在不同时间点的生长、定殖和塑料降解
03
重组细菌群落进行的塑料降解过程和机制的转录图谱分析
研究人员继续结合红外光谱、凝胶渗透色谱、X射线衍射、高效液相色谱及质谱等手段多方位证实了该菌群菌群能有效降解PET和PE塑料。
为了探索重组细菌群落介导的塑料降解过程和潜在的机制，在PET或PE膜存在的情况下对这种菌群进行了宏观转录组分析。并在大肠杆菌中过表达了三种可能的PE降解酶(包括IR195_09930_酯酶、IR195_04495_水解酶和IR196_16650_水解酶)，并考察了它们各自对PE膜的降解效果。结果与对照(GST处理)相比，所有可能的酶在PE膜上都显示出显著的降解效果(图5)，这进一步验证了转录结果，并为未来塑料降解生物制品的开发提供了有前途的酶候选。
图5 重组细菌群落对塑料降解过程和机制的转录分析
本研究建立了一个稳定的海洋细菌群落，能够有效地降解PET和PE，本研究是第一次调查在两种不同塑料(PET和PE)上形成的海洋微生物生物膜的群落结构。并进一步研究了塑料降解过程，对塑料降解产物进行了表征。总之，本研究探讨了海洋细菌是否能够降解塑料，并展示了利用这些细菌开发塑料降解生物制品的巨大潜力。
供稿：郝汝欣
编辑：李晓萌 张彤 徐娅
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