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微生物能够解决塑料污染的瓶颈问题吗？

当今世界人口和工业活动的大幅增加加剧了人为污染，其中塑料污染尤其令人担忧，因此必须迫切开发新的有效方法来消除塑料污染。通常塑料应当进行回收或使其可生物降解。但目前塑料降解的化学和物理方法通常消耗能源且成本高昂。此外，这些方法环保性差，通常会产生有毒副产品。因此，生物降解作为一种合适的选择，因其所具有的良好成本效益和环境友好性进入了人们的视线。

微生物在环境过程中起着至关重要的作用，例如在不同化合物的生物地球化学循环中发挥作用，以及参与污染物的生物修复。利用微生物作为生物介体的优势很多，例如基因组尺寸小、繁殖容易且速度快、进化潜力大和环境适应性好。因此，研究新的高效塑料降解微生物并加以改造可以为高效可行的塑料生物降解技术提供广阔前景。

表1：塑料降解微生物以及已鉴定酶

细菌

土壤细菌在污染生物修复方面是有效的，因为它们面临不断变化的环境条件，如温度、湿度、pH值等。假单胞菌是能够降解多种污染物的最常见细菌属。其中，恶臭假单胞菌能够降解多种芳香族化合物。

Vigneswari等人从马来西亚不同地点的土壤和水样中分离出能够降解多羟基烷酸盐（PHA）的细菌属Acidovorax。他们提到该属通过分泌解聚酶降解PHA。更有趣的是，Uchida等人发现了一种新的菌株，能够降解多溴二苯甲酸。通过分类学研究，他们认为该菌株可能属于嗜酸菌属。他们还发现，与多溴二苯甲酸的生物降解有关的脂肪酶的产生在多溴二苯甲酸存在时被显著诱导，并表明这种酶可能是专为多溴二苯甲酸的降解而进化的。Ideonella sakaiensis是一种革兰氏阴性需氧菌菌株，是迄今为止发现的最有效的PET降解微生物（图1）。该菌株与德氏肠杆菌的相似性为97.7%，与偶氮肠杆菌的相似性为96.6%，但上述菌株（即德氏肠杆菌和偶氮肠杆菌）的PET降解能力尚未报道。

图1.Ideonella sakaiensis是第1个发现能够通过产生PETase和MHETase完全降解PET的微生物

真菌

真菌是一个庞大的微生物群体，能够对不同的污染物进行生物降解，因此研究它们的塑料降解是很有希望的。大多数作用于塑料的酶是存在于细胞内的，但由于高分子量的聚合物不能穿透细胞，细胞内的酶不能降解它们。因此，白腐菌分泌的细胞外木质素降解酶是塑料降解的有希望的候选酶。Friedrich等人报告了白腐菌Bjerkandera adusta降解尼龙的能力（图2），研究显示这种真菌在两个月内降解尼龙达67%，其降解可能是通过锰依赖性过氧化物酶（MnP）的作用。此外，还报道了褐腐菌的塑料降解能力，即褐腐菌中的细胞外氢醌驱动的过程。

图2：Bjerkandera adusta降解尼龙纤维的SEM显微图

据Krueger等人研究报道，骨小梁藻（Gloeophylum trabeum）在20天内降解了50%的聚苯乙烯磺酸盐（PSS），这是一种难降解的合成聚合物。Sangale等人研究了红树林白骨壤根际的土壤样本，以调查大气相关真菌的PE降解能力。基于SEM和FTIR分析，他们确定土曲霉和聚多曲霉是109种真菌分离物中最有效的真菌。通过SEM和FTIR分析，估计了基于PE拉伸强度和重量损失降低的降解速率。因此，他们报告称，土曲霉在60天内的PE减重为58.51±8.14，聚多曲霉在60天内的PE抗拉强度损失为94.44±2.40。

其他微生物

微藻是快速生长和高效光合作用的微生物，其在重金属生物修复和温室气体减排方面的能力已得到广泛研究。然而，关于塑料微藻降解的研究很少。Kumar等人研究了一定数量的微藻（即二形栅藻、螺旋鱼腥藻和蛹舟形藻）对低密度和高密度PET降解的能力。他们证明了螺旋体对低密度PET的降解能力（孵化一周后高达8.18%）。在另一项研究中，Eich等人探索了生物膜的早期形成以及从地中海收集的可生物降解购物塑料袋和PE上硅藻的多样性和丰度。他们在两个不同的栖息地（即浅海底栖息地和远洋栖息地）对可生物降解塑料样品和PE进行了15天和33天的监测。他们发现，塑料表面的生物膜形成和硅藻丰度和多样性因塑料类型和栖息地而异。

从远洋栖息地收集的塑料显示硅藻更丰富。此外，SEM分析证明了从两个区域收集的生物降解塑料的生物降解性。近年来，藻类和微藻的基因工程也使其成为酶降解合成聚合物的工厂。

极端微生物

目前研究能够降解塑料的新微生物的最有效方法之一是探索极端环境。在Urbanek等人的一项研究中，研究了从北极地区分离的微生物群落降解多溴联苯、聚乳酸、聚氯乙烯和多溴二苯甲酸的能力（图3）。他们发现，降解能力微生物是真菌属中的木霉和粉红粘帚菌，细菌属中的红球菌和假单胞菌。此外，Sekiguchi等人从320至7000米不同深度的深海中分离出13种不同类型的PCL降解细菌。

图3：极端环境微生物研究中深海沉积物采样点的定位

天然聚合物生物降解

据研究，一些参与植物木质素水解的酶显示出降解PE的能力。链霉菌属以其降解纤维素的能力而闻名，也表现出PE降解能力。Leao de Almeida等人研究表明，从海洋海绵中分离的链霉菌能够降解PCL，其结构类似于PET。该物种中鉴定的PET水解酶类似于在Ideonella sakaiensis中鉴定的众所周知的PETase。因此，PETase可以被专家用来研究和设计PET降解酶。此外，发现日本假酵母菌产生的角质酶能够在15天内将PCL降解93.3%。

角质是另一种天然聚合物。它是一种脂肪族聚酯，存在于植物的角质层中。各种微生物都能分解角质。科学家证明了角质酶能够水解PET和PUR的酯键。Müller等人报告了从镰刀菌热裂中分离的角质酶在3周后降解PET的能力高达50%。此外，根据从黄孢原皮菌中分离的木质素过氧化物酶的FTIR分析，Khatoon等人报告了PVC的显著降解（31%）。此外，Nakamura等人从拟青霉中分离出的PLA解聚酶能够降解酪蛋白和纤维蛋白，这是两种重要的营养天然聚合物。

总结与展望

塑料污染已成为一个全球性问题，目前全球都在针对这一挑战不断寻找各种解决方案，其中关于微生物在环境污染物降解的研究也在不断开展并取得了一些成果。在科技飞速发展的今天，科学家们正在不断尝试通过基因组学、蛋白组学、转录组学以及蛋白组学对微生物进行改造的方式以期在微生物塑料降解的领域取得新的成绩。

与此同时，对于塑料降解的研究只能对已经发生的塑料污染有所助益，但塑料污染问题滚雪球般地不断扩大也要求人们必须建立起防治塑料污染的全球意识，完善废物处理管理和废物回收，实施更多环保方法，从根本上消除塑料对自然界的破坏性影响（图4）。

图4：管理塑料的使用可以获得更好的未来

让微生物消灭塑料污染

——解塑再用

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