海洋細(xì)菌聯(lián)手分解可生物降解塑料

塑料在自然系統(tǒng)中會(huì)長期存在、難以降解。它們被視為一種重大的環(huán)境隱患。科學(xué)家希望，可生物降解塑料能夠幫助應(yīng)對(duì)海洋和垃圾填埋場中日益堆積如山的塑料廢棄物問題。

在目前生產(chǎn)出來的塑料中，超過一半最終要么被送進(jìn)垃圾填埋場，要么直接進(jìn)入環(huán)境中。但如果不了解不同降解過程的具體機(jī)制，就無法準(zhǔn)確預(yù)測這些材料的壽命，也無法更好地調(diào)控它們的降解。

到目前為止，許多關(guān)于塑料生物降解的研究都集中于單一微生物個(gè)體。而這并不能代表大多數(shù)塑料在環(huán)境中被分解的真實(shí)方式。由單一細(xì)菌獨(dú)自完成整個(gè)降解過程非常罕見，因?yàn)檫@需要它承擔(dān)巨大的代謝負(fù)擔(dān)：既要具備將聚合物解聚的全部酶功能，又要能夠把這些化學(xué)亞基作為碳源和能量來源加以利用。

如今，在一項(xiàng)新的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)揭示了海洋中的不同菌種在一種廣泛使用的可生物降解塑料的分解過程中所起的作用。他們還展示了這些微生物如何通過互補(bǔ)性的過程將這種塑料徹底消耗：一種微生物先將塑料切解成組成它的化學(xué)成分，其他微生物再分別消耗這些化學(xué)成分。

揭示協(xié)作機(jī)制

過去，已經(jīng)有一些研究試圖捕捉不同的細(xì)菌在降解塑料時(shí)留下的分子“足跡”，但這種方法雖能夠提供參與其中的物種概貌，卻無法揭示其具體作用機(jī)制。

在新的研究中，研究人員希望弄清，在塑料被完全降解的過程中，不同菌種各自扮演了什么角色。他們選擇了一種稱為芳香脂肪族共聚酯（PBSeT）的可生物降解塑料作為研究對(duì)象。這類塑料可用于購物袋和食品包裝，也常被鋪設(shè)在農(nóng)田土壤表面，以防止雜草生長并保持土壤水分。

研究人員首先將塑料的樣品放置于地中海的不同深度的海水中，讓細(xì)菌以一層薄薄的生物膜形式生長在這些塑料樣品表面。隨后，他們將這些樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，從樣品中分離出盡可能多的菌種。接著，他們將這些分離得到的菌株混合培養(yǎng)，并識(shí)別出30種能夠繼續(xù)在塑料上大量生長的細(xì)菌。

他們以二氧化碳作為衡量塑料降解程度的一種指標(biāo)，并分別研究了分離所得的每一種細(xì)菌，最終發(fā)現(xiàn)其中一種名為海綿假單胞菌（Pseudomonas pachastrellae）的細(xì)菌，能夠使塑料化合物發(fā)生解聚，將其分解為這種塑料的三種化學(xué)組成成分：對(duì)苯二甲酸、癸二酸和丁二醇。

但是，海綿假單胞菌本身并不能獨(dú)自消耗全部三種成分。在進(jìn)一步的測試中，研究人員讓其他細(xì)菌也分別接觸這些化學(xué)物質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沒有任何一種細(xì)菌能夠獨(dú)自消耗全部三種成分；不過，他們發(fā)現(xiàn)有些菌種能單獨(dú)消耗其中一種或兩種化學(xué)成分。

最后，研究人員根據(jù)這些細(xì)菌在分解能力上的互補(bǔ)性，挑選出了5個(gè)菌種。他們證明，這一小型的菌種組合在徹底降解塑料方面，展現(xiàn)出了與那個(gè)由30個(gè)成員組成的細(xì)菌群落相當(dāng)?shù)哪芰Α?/p>

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，這個(gè)由5種細(xì)菌組成的群落無法礦化另一種不同的塑料，這表明這些菌種可能只能礦化特定類型的塑料。這凸顯出一個(gè)事實(shí)：塑料最終所處環(huán)境中的微生物，將決定這種塑料能在環(huán)境中存在多久。

更快的塑料降解

研究人員表示，這項(xiàng)研究清晰地闡明了特定菌種在塑料分解中所扮演的重要角色，也表明塑料降解的速度會(huì)因少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵因素而出現(xiàn)很大差異。它展示了哪些細(xì)菌負(fù)責(zé)降解，哪些細(xì)菌負(fù)責(zé)礦化；并且進(jìn)一步展示每一種細(xì)菌的功能，說明它們協(xié)同在一起時(shí)，能夠把整個(gè)聚合物徹底去除。

這是朝著構(gòu)建更高效的微生物系統(tǒng)邁出的重要第一步。未來，這類系統(tǒng)或許能夠更好地分解塑料，或者將塑料轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)物。接下來，研究人員將進(jìn)一步探索：什么樣的細(xì)菌配對(duì)能夠更快地消耗塑料，以及酶是如何附著在塑料顆粒表面，從而啟動(dòng)并持續(xù)推進(jìn)降解過程的。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2026/ocean-bacteria-break-down-biodegradable-plastic-0316

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c14910

#圖片來源：

封面圖&首圖：TheDigitalArtist / Pixabay