华东师范大学谢冰、苏应龙课题组EST：宏基因组学视角的水生环境可生物降解塑料圈驱动的自然降解特性与机制

第一作者：庞蕊蕊博士研究生（华东师范大学）

通讯作者：谢冰教授（华东师范大学）、苏应龙研究员（华东师范大学）

论文DOI: 10.1021/acs.est.4c04965

图文摘要

成果简介

近日，华东师范大学谢冰教授、苏应龙研究员团队在Environmental Science & Technology上发表了题为“Genome-Centric Metagenomics Insights into the Plastisphere-Driven Natural Degradation Characteristics and Mechanism of Biodegradable Plastics in Aquatic Environments”的研究论文(DOI: 10.1021/acs.est.4c04965)，该研究探讨了可生物降解塑料（BPs）在水生环境中的自然降解特性，并从功能微生物和基因层面揭示了潜在降解者在塑料降解过程中的贡献。研究人员以不可生物降解塑料作为对照，针对自然水生环境中典型BPs（聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯与聚乳酸的共聚物（PBAT/PLA）及单一PLA）进行了为期三个月的动态降解过程探究。通过原子力显微镜、共聚焦激光显微镜和宏基因组分箱等技术评估了塑料重量损失、性质变化、生物膜形成、微生物群落和潜在的塑料降解基因，旨在阐明塑料表面性质、生物膜形成和塑料降解微生物之间的动态关系，并为开发塑料污染的生物修复技术提供理论基础。

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为探明自然水体中微生物对BPs降解的贡献，本研究选取了与人类活动密切相关的河流进行原位暴露实验。结果显示，PBAT/PLA两个月内出现严重碎裂，而其他塑料则未见明显降解。一个月的时间内可发现PBAT/PLA的比表面积与粗糙度显著增大，疏水性减弱，这促进了微生物在其表面的附着。随后，PBAT/PLA经历了完整的微生物演替过程（生物膜的形成、成熟与脱落）。宏基因组分析表明，塑料际选择性富集了降解菌。基于参与BPs降解的功能基因，从PBAT/PLA塑料圈中成功识别了16个高质量的降解菌宏基因组组装基因组（主要为Burkholderiaceae）。这些微生物在生物膜成熟阶段展现出最强的降解潜力，并通过PLA解聚酶、聚酯酶、水解酶和酯酶等发挥降解功能。该研究系统揭示了BPs在水体中的实际环境行为及微生物在塑料降解中的作用解。

引言

塑料的广泛应用导致其在环境中积累，其中超过55%最终流入水域，可生物降解塑料（BPs）为解决非可生物降解塑料（non-BPs）所引发的全球污染问题带来了希望，但BPs的生物降解性极大程度上受环境条件如温度、湿度和pH值的影响。关于BPs在实际环境，尤其是城市河流系统中的具体降解模式，认知尚显不足。同时，塑料碎片能作为微生物（潜在塑料降解者）的附着基质，但BPs的表面特性、微生物定殖及其降解行为之间的联系尚未明晰，这制约了对BPs在自然水生环境中长期归宿的深入理解。

图文导读

塑料表面性质的自然演变特征

Figure 1. AFM images of plastic debris during the in situ exposure period in aquatic environments.

塑料重量损失是衡量其降解程度的重要指标。PBAT/PLA在暴露30天后发生显著碎裂，重量损失达27.8%，并在50天时损失达到47.4%，之后完全碎裂。相比之下，PLA和其他非降解塑料（如PS、PP、PVC）的碎裂现象不明显，但PLA在88天时的重量损失（17%）仍高于其他非降解塑料。此外，比表面积、疏水性和粗糙度的变化也共同表明，两种可生物降解塑料PBAT/PLA和PLA在自然水生环境中会发生显著的老化和降解，且PBAT/PLA的降解程度大于PLA，塑料表面变得凹凸不平，甚至出现孔洞或断裂。这些理化性质的改变有利于微生物的定殖，从而可能进一步加速塑料的老化和降解过程。

塑料际的生物膜发展和微生物群落演替

Figure 2. CLSM images of various plastics at different colonization periods revealed the development of the biofilm. Living cells, dead cells, and EPS were demonstrated in green, red, and blue, respectively.

PBAT/PLA塑料在暴露初期（30天前）未形成成熟生物膜，但随后经历了一个完整的微生物演替过程，直至58-66天时完全碎裂。具体而言，在0-30天的定殖阶段，PBAT/PLA表面的活菌生物量显著多于其他塑料类型；至40天时，生物膜成熟，活菌和胞外聚合物（EPS）数量达到高峰；而58天后，随着水温、溶解氧和氮离子浓度的下降，生物膜以死菌和EPS为主。特别地，PBAT/PLA在生物膜成熟阶段（30-58天）的重量损失高达47.4%，远高于早期定殖阶段（15-30天），这进一步证实了微生物在加速PBAT/PLA降解中的关键作用。微生物的群落结构分析进一步揭示了BPs塑料际中的优势物种包含了已知具备降解能力的微生物。

潜在塑料降解微生物在塑料际和水生环境中的分布

Figure 3. Distribution of potential degraders in the RW and BPs’ plastispheres.

河水中的潜在降解细菌具有高度多样性，而在塑料际中则以更高的丰度存在。经数据库比对，发现降解菌主要分布于Burkholderiaceae、Steroidobacteraceae和Rhodocyclaceae等科。潜在降解菌的分布进一步显示，48.5%的潜在降解菌分布在水环境中，而24.2%和27.3%分别分布在PBAT/PLA和PLA塑料际中，表明水生环境虽然是塑料降解细菌的重要储存库，但是BPs表面的选择性富集进一步促进了降解。

携带塑料降解基因的微生物的降解潜力

Figure 4. Phylogenetic tree, number of degradative enzymes, and BP degradation potential of potentially degrading bacteria in the RW (A) and plastisphere of PBAT/PLA (B) and PLA (C). Heatmaps where the species was not detected, time points were not sampled, and PLA degradation genes were not present in the PLA-plastisphere were blank.

本研究共鉴定出7中编码PBAT和PLA降解酶的基因，几乎所有bins中都含有编码聚酯酶（polyesterase）的基因。在生物膜成熟阶段，这些微生物的选择性富集和功能性酶的分泌显著促进了PBAT/PLA的降解，导致塑料碎片的重量损失更大且碎裂更严重。在PBAT/PLA塑料际中，编码PBAT和PLA降解酶的微生物更为丰富，其中编码PBAT降解酶的微生物（75%的降解菌含有相关基因）多于编码PLA降解酶的微生物。此外，PBAT/PLA中共聚物中70%的PBAT含量进一步表明，其优越的降解性能主要归因于高PBAT含量和更多的PBAT降解酶。

小结

本研究揭示了可生物降解塑料在自然水生环境中的降解模式，PBAT/PLA在两个月内就会发生严重的破碎。降解过程分为三个阶段：变性（疏水性变为亲水性、粗糙度增加）、开始分解（重量迅速减轻、降解微生物丰度增加）和完全破碎。对携带可编码PBAT和PLA降解酶基因的微生物的鉴定证实，水生环境是塑料降解细菌的储存库，塑料际通过选择性富集功能微生物促进了BPs的解聚，并且在生物膜成熟阶段降解能力达到最大化。

作者介绍

谢冰 教授，主要研究有机废弃物、废水的污染控制和资源化、环境中新污染物迁移转化及控制研究等。现为上海有机固废生物转化工程技术研究中心主任。主持国家重点研发计划项目和国家自然科学基金等60余项，共计发表国内外学术论文220余篇，入选全球前2%顶尖科学家。出版专著4部；获国家发明专利20余项，多项转让。获上海市科技进步一等奖及自然科学二等奖等奖励。

苏应龙 研究员、博士生导师，现任职于华东师范大学生态与环境科学学院。主要从事有机固废资源化处理和环境中新污染物环境行为、效应及其控制研究。以第一/通讯作者身份发表SCI论文近30篇，授权国内外发明专利6项，获上海市科技进步三等奖、简浩然环境工程奖与高廷耀基金会青年博士生杰出人才奖学金等。主持国家自然科学基金面上项目与青年项目，参与国家重点研发计划等。

参考文献：

Pang, R.; Wang, X.; Zhang, L.; Lei, L.; Han, Z.; Xie, B*.; Su, Y*. Genome-Centric Metagenomics Insights into the Plastisphere-Driven Natural Degradation Characteristics and Mechanism of Biodegradable Plastics in Aquatic Environments. Environ. Sci. Technol. 2024

文章链接: 

https://pubs./doi/10.1021/acs.est.4c04965