海洋微生物菌群对PBAT的降解

仅2017年，全球就生产了三亿五千万吨塑料，其中超过25万吨被释放到海洋中。据估计2015年到2025年，海洋中的塑料废物将增加4个数量级。

PBAT属于热塑性塑料，PBAT由土壤和堆肥产生的微生物的解聚方式已经被研究出来，来自放线菌和真菌的角质酶样丝氨酸水解酶具有PBAT降解活性。

迄今为止发现的大多数降解PBAT的微生物都不能将单体用作碳源，因此不能将聚合物降解转化为生物质和CO₂。在成熟的堆肥环境中，微生物群落的其他成员可以利用释放的单体。研究者通过海洋富集培养法探究基于PBAT的商业混合膜（PF）的矿化作用（土壤中有机态化合物转化为无机态化合物的过程）。

图1.海洋微生物群落富集实验设置

在人工海洋培养基中添加PF作为唯一碳源，富集海洋微生物群落。为了阐明哪些微生物和基因在PF生物降解中起作用，研究者进行了三个独立的实验（图1）：第一个实验设置（a）旨在检测由于微生物活性而产生的生物降解产物和CO₂产生。第二个实验（b）旨在通过基因组学分析形成被膜的细菌（F）和自由生存的细菌（S）之间的差异。最后，进行了时间序列实验（c），以鉴定通过代谢组学进行PF生物降解所需的假定基因和蛋白质（图1）。

图2. PF的矿化和CO2产生

图3. 生物被膜的形成和塑料的降解

研究者进行了30天的矿化实验，在第六天就检测到了PF的崩解。一个月后，群落的PF生物降解率达到60%，在第6天到第10天之间有最高的降解率（图2）。研究者分析了PF解体前，生物群落的生物被膜形成能力。扫描电镜成像显示第三天以后海洋塑料降解群落在PF的表面定植。从照片可以观察到由于微生物活动而导致的凹坑在PF表面均匀分布。六天后，形成了更大的孔和坑。被胞外多糖包围的微生物膜位于这些孔中。主要的微生物形态是约2μm的棒状细胞。这时PF非常脆弱，开始瓦解（图3）。

在添加PF的一个饥饿周期后（图1C），对海洋塑料降解群落的转录组和蛋白质组进行表征。在每个采样点，超转录组中所有基因的约70％被检测，在蛋白质组中约6％被检测。在整个时间序列中，转录组中只有一小部分明显上调或下调。从蛋白质组中总共鉴定出8126个蛋白群，其中只有在新的聚合物膜存在下孵育7天后，才能检测到最终检测量最大的蛋白质。其余个时间点都只存在核心蛋白质组。7天后最大量蛋白质群（921个蛋白质）始终存在（图4）。

图4. 不同菌类对基因表达和蛋白质合成的贡献

综合研究数据表明，聚合物及其单体均可被微生物群落矿化，并指明海洋塑料降解群落协同生物降解过程。微生物聚生体以分工合作的方式完全降解复杂的人造化学品。在海洋塑料降解群落中，群落中的不同成员执行解聚、中间体降解和芳香族单体分解功能（图5）。PF上的细菌群落与其他塑料颗粒上的菌群具有相似性，大部分都是由γ变形菌组成。数据表明在γ变形菌中，海杆菌属在PF的降解中起到关键作用。当培养物接受二羧酸单体作为唯一碳源时，与二羧酸代谢有关的途径在蛋白质组中富集。因此，解聚后该微生物很可能利用二羧酸单体进行生长。依赖培养的方法可能无法准确地表示环境中降解过程的发生方式，但是研究结果表明，海洋中脂族-芳香族聚酯降解基因与陆地微生物中的鉴定基因高度相似。

图5. 协同生物降解PF的机制

基于解聚酶和下游降解基因的基因表达和蛋白质生物合成模式，研究者得出结论，PF解聚是由附在膜上的群落协同进行的（图5）。生物被膜和游离生物共同降解芳香族低聚物和单体，从而承担了PF完全矿化的任务。