海洋所首次发现能有效降解塑料垃圾的海洋微生物菌群和酶

  425日,国际学术期刊Journal of Hazardous Materials (《危险材料》)报道了中国科学院海洋研究所孙超岷团队最新研究成果,首次发现能有效降解聚乙烯对苯二甲酸酯和聚乙烯两种塑料的海洋微生物菌群和酶,为获得塑料降解微生物和功能酶、发展降解塑料垃圾生物制品提供了重要理论依据和候选材料,并有望突破难降解塑料聚乙烯的降解瓶颈。

  塑料是一类高分子聚合物的统称,包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)、聚苯乙烯(PS)和聚氯乙烯(PVC)等。据报道,到2015年,人类总共生产了83亿吨塑料,其中63亿吨被废弃成为垃圾。由于废旧塑料种类繁多、回收降解反应复杂,塑料垃圾中只有9%被回收,12%被焚烧,79%被填埋或者遗弃在自然环境中。按照目前的趋势,至2050年垃圾填埋场和自然环境中将有120亿吨塑料垃圾,其形成的“白色污染”给全球带来严重的环境污染和生态破坏。因此开展塑料降解体系研究、加快塑料污染物治理技术研发迫在眉睫。

  微生物经过与塑料及类似物的长期共存,逐渐演化出一些类群能有效降解塑料垃圾,是发展降解塑料垃圾生物制品的绝佳材料。孙超岷团队自2016年开始从青岛近海采集了上千份塑料垃圾,经过大量筛选发现一个塑料垃圾上附着了一个菌群,在塑料(PETPE)表面具有很明显的定殖和降解能力。该菌群在含有塑料垃圾的培养基中能维持良好的生长能力,推测应该是通过降解塑料获得额外的能量来源。通过对菌群组成种类和丰度进行定量分析,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PETPE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。

一个海洋微生物菌群能有效定殖并降解PETPE塑料

菌群能降解并利用PETPE塑料生长

基于菌群纯培养的3个细菌能单独降解PETPE塑料

  研究人员进而结合红外光谱、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上述菌群能有效降解PETPE塑料,利用宏转录组技术解析了该菌群在塑料表面通过形成生物膜定殖并分泌酶类降解利用塑料作为能量源的过程,进而筛查到多个可能参与降解PETPE塑料的候选酶类,最终结合体外表达技术获得多个在24小时内能明显降解PE塑料的酶。因为PE塑料目前在国际上极为缺乏能有效降解的微生物和酶类,该研究成果为下一步研究PE降解机制及发展PE降解生物制品奠定了坚实基础。目前,该研究成果已成功申请国家发明专利。 

复配菌群能有效降解PETPE塑料

复配菌群降解PETPE塑料过程及PE降解酶的功能验证

  中科院实验海洋生物学重点实验室博士研究生高蓉蓉为第一作者,孙超岷研究员为通讯作者。研究得到了大洋协会“深海生物资源计划”及中科院海洋大科学中心前沿部署等项目联合资助。 

  相关论文:Rongrong Gao, Chaomin Sun*. A marine bacterial community capable of degrading poly(ethylene terephthalate) and polyethylene. Journal of Hazardous Materials, 2021, Doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.125928. 

  论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030438942100892X


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