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      自然降解塑料
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      微生物能夠解決塑料污染的瓶頸問題嗎?

      2022-12-16 16:21:42


      當今世界人口和工業活動的大幅增加加劇了人為污染,其中塑料污染尤其令人擔憂,因此必須迫切開發新的有效方法來消除塑料污染。通常塑料應當進行回收或使其可生物降解。但目前塑料降解的化學和物理方法通常消耗能源且成本高昂。此外,這些方法環保性差,通常會產生有毒副產品。因此,生物降解作為一種合適的選擇,因其所具有的良好成本效益和環境友好性進入了人們的視線。
      微生物在環境過程中起著至關重要的作用,例如在不同化合物的生物地球化學循環中發揮作用,以及參與污染物的生物修復。利用微生物作為生物介體的優勢很多,例如基因組尺寸小、繁殖容易且速度快、進化潛力大和環境適應性好。因此,研究新的高效塑料降解微生物并加以改造可以為高效可行的塑料生物降解技術提供廣闊前景。

      表1:塑料降解微生物以及已鑒定酶

      01

      細菌

      土壤細菌在污染生物修復方面是有效的,因為它們面臨不斷變化的環境條件,如溫度、濕度、pH值等。假單胞菌是能夠降解多種污染物的最常見細菌屬。其中,惡臭假單胞菌能夠降解多種芳香族化合物。
      Vigneswari等人從馬來西亞不同地點的土壤和水樣中分離出能夠降解多羥基烷酸鹽(PHA)的細菌屬Acidovorax。他們提到該屬通過分泌解聚酶降解PHA。更有趣的是,Uchida等人發現了一種新的菌株,能夠降解多溴二苯甲酸。通過分類學研究,他們認為該菌株可能屬于嗜酸菌屬。他們還發現,與多溴二苯甲酸的生物降解有關的脂肪酶的產生在多溴二苯甲酸存在時被顯著誘導,并表明這種酶可能是專為多溴二苯甲酸的降解而進化的。Ideonella sakaiensis是一種革蘭氏陰性需氧菌菌株,是迄今為止發現的最有效的PET降解微生物(圖1)。該菌株與德氏腸桿菌的相似性為97.7%,與偶氮腸桿菌的相似性為96.6%,但上述菌株(即德氏腸桿菌和偶氮腸桿菌)的PET降解能力尚未報道。

      圖1.Ideonella sakaiensis是第1個發現能夠通過產生PETase和MHETase完全降解PET的微生物


      02

      真菌

      真菌是一個龐大的微生物群體,能夠對不同的污染物進行生物降解,因此研究它們的塑料降解是很有希望的。大多數作用于塑料的酶是存在于細胞內的,但由于高分子量的聚合物不能穿透細胞,細胞內的酶不能降解它們。因此,白腐菌分泌的細胞外木質素降解酶是塑料降解的有希望的候選酶。Friedrich等人報告了白腐菌Bjerkandera adusta降解尼龍的能力(圖2),研究顯示這種真菌在兩個月內降解尼龍達67%,其降解可能是通過錳依賴性過氧化物酶(MnP)的作用。此外,還報道了褐腐菌的塑料降解能力,即褐腐菌中的細胞外氫醌驅動的過程。

      圖2:Bjerkandera adusta降解尼龍纖維的SEM顯微圖

      據Krueger等人研究報道,骨小梁藻(Gloeophylum trabeum)在20天內降解了50%的聚苯乙烯磺酸鹽(PSS),這是一種難降解的合成聚合物。Sangale等人研究了紅樹林白骨壤根際的土壤樣本,以調查大氣相關真菌的PE降解能力?;赟EM和FTIR分析,他們確定土曲霉和聚多曲霉是109種真菌分離物中最有效的真菌。通過SEM和FTIR分析,估計了基于PE拉伸強度和重量損失降低的降解速率。因此,他們報告稱,土曲霉在60天內的PE減重為58.51±8.14,聚多曲霉在60天內的PE抗拉強度損失為94.44±2.40。

      03

      其他微生物

      微藻是快速生長和高效光合作用的微生物,其在重金屬生物修復和溫室氣體減排方面的能力已得到廣泛研究。然而,關于塑料微藻降解的研究很少。Kumar等人研究了一定數量的微藻(即二形柵藻、螺旋魚腥藻和蛹舟形藻)對低密度和高密度PET降解的能力。他們證明了螺旋體對低密度PET的降解能力(孵化一周后高達8.18%)。在另一項研究中,Eich等人探索了生物膜的早期形成以及從地中海收集的可生物降解購物塑料袋和PE上硅藻的多樣性和豐度。他們在兩個不同的棲息地(即淺海底棲息地和遠洋棲息地)對可生物降解塑料樣品和PE進行了15天和33天的監測。他們發現,塑料表面的生物膜形成和硅藻豐度和多樣性因塑料類型和棲息地而異。
      從遠洋棲息地收集的塑料顯示硅藻更豐富。此外,SEM分析證明了從兩個區域收集的生物降解塑料的生物降解性。近年來,藻類和微藻的基因工程也使其成為酶降解合成聚合物的工廠。

      04

      極端微生物

      目前研究能夠降解塑料的新微生物的最有效方法之一是探索極端環境。在Urbanek等人的一項研究中,研究了從北極地區分離的微生物群落降解多溴聯苯、聚乳酸、聚氯乙烯和多溴二苯甲酸的能力(圖3)。他們發現,降解能力微生物是真菌屬中的木霉和粉紅粘帚菌,細菌屬中的紅球菌和假單胞菌。此外,Sekiguchi等人從320至7000米不同深度的深海中分離出13種不同類型的PCL降解細菌。

      圖3:極端環境微生物研究中深海沉積物采樣點的定位

      05

      天然聚合物生物降解

      據研究,一些參與植物木質素水解的酶顯示出降解PE的能力。鏈霉菌屬以其降解纖維素的能力而聞名,也表現出PE降解能力。Leao de Almeida等人研究表明,從海洋海綿中分離的鏈霉菌能夠降解PCL,其結構類似于PET。該物種中鑒定的PET水解酶類似于在Ideonella sakaiensis中鑒定的眾所周知的PETase。因此,PETase可以被專家用來研究和設計PET降解酶。此外,發現日本假酵母菌產生的角質酶能夠在15天內將PCL降解93.3%。
      角質是另一種天然聚合物。它是一種脂肪族聚酯,存在于植物的角質層中。各種微生物都能分解角質??茖W家證明了角質酶能夠水解PET和PUR的酯鍵。Müller等人報告了從鐮刀菌熱裂中分離的角質酶在3周后降解PET的能力高達50%。此外,根據從黃孢原皮菌中分離的木質素過氧化物酶的FTIR分析,Khatoon等人報告了PVC的顯著降解(31%)。此外,Nakamura等人從擬青霉中分離出的PLA解聚酶能夠降解酪蛋白和纖維蛋白,這是兩種重要的營養天然聚合物。

      06

      總結與展望

      塑料污染已成為一個全球性問題,目前全球都在針對這一挑戰不斷尋找各種解決方案,其中關于微生物在環境污染物降解的研究也在不斷開展并取得了一些成果。在科技飛速發展的今天,科學家們正在不斷嘗試通過基因組學、蛋白組學、轉錄組學以及蛋白組學對微生物進行改造的方式以期在微生物塑料降解的領域取得新的成績。
      與此同時,對于塑料降解的研究只能對已經發生的塑料污染有所助益,但塑料污染問題滾雪球般地不斷擴大也要求人們必須建立起防治塑料污染的全球意識,完善廢物處理管理和廢物回收,實施更多環保方法,從根本上消除塑料對自然界的破壞性影響(圖4)。

      圖4:管理塑料的使用可以獲得更好的未來


      讓微生物消滅塑料污染

      ——解塑再用


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