深海细菌MCCC 1A17309和极地细菌MCCC 1A19541能够降解聚苯乙烯（PS）和聚丙烯（PP），可参与深海塑料的原位降解

相关菌株：

Alcanivorax sp. A02-7=MCCC 1A17309

Halomonas sp. A11-02-7C2=MCCC 1A19541

背景：塑料因其成本低、耐用和重量轻而广泛应用于各个行业。然而，大约79%的塑料废物由于不当使用而排放到自然环境中。废弃到环境中的塑料由于各种因素会被降解成更小（<5mm）的颗粒，称为微塑料，然后进一步降解成更小的碎片，称为纳米塑料（<1µm）。微塑料对海洋环境和生物有一系列影响。纳米塑料可以吸收海洋中的污染物，如多环芳烃（PAHs）、全氟辛酸（PFOA）、二氯二苯三氯乙烷（DDT）、多氯联苯（PCB）和一些重金属，这些污染物会促进海洋生态系统中污染物的转移。但是，海洋中的微塑料很容易被生物体摄入和积累，特别是纳米塑料，这对不同海洋物种的健康有各种影响。塑料生物降解被认为更环保，许多研究都集中在识别塑料降解微生物上，塑料的微生物降解是减轻塑料污染的关键过程，涉及几个步骤，包括生物降解、生物破碎、同化和矿化。

研究结果：

微塑料和纳米塑料在聚苯乙烯塑料生物降解过程中的持续生成与释放：利用广泛分布的两株海洋细菌Alcanivorax xenomutans 和 Halomonas titanicae 来观察其对聚苯乙烯（PS）塑料生物降解与微塑料的形成过程。首先，实验再次验证了PS可被这两种海洋细菌降解。定性和定量分析发现，PS的形态和物理化学性质发生了明显变化；在生物降解过程中，有大量微塑料与纳塑料释放，30天内仅10mg 的PS片可以形成数百万的微塑料和纳米塑料（图1）。尽管机械磨损也可能导致微塑料形成，但细菌侵蚀明显加速了塑料碎片化与微纳塑料形成。与机械作用相比，生物降解介导产生的微塑料其表面相对粗糙，且粒径小。同时zeta电位显示，微生物降解产生的微塑料负电荷绝对值较低，这可能是由于微生物降解过程中微塑料表面官能团（C=O、C-O）增加导致的。该研究为深入理解海洋微生物介导的塑料碎片化过程与纳米塑料来源及环境归宿提供了参考。

图 1深海细菌生物降解作用介导的塑料碎片化与微纳塑料形成过程（简述图）

图 1深海细菌生物降解作用介导的塑料碎片化与微纳塑料形成过程（简述图）

利用GC-MS分析了聚合物在A. xenomutans（AX）和H. titanicae（A3）菌株作用下的降解情况。通过与对照组比较，确定了17种PS代谢产物（图2）。两种菌株的降解产物都含有含苯环的物质，例如4-甲基-2-苯基戊-1-烯-3-醇、2-（（2-丁氧基乙氧基）羰基）苯甲酸和 9,2-十八碳二烯酸（Z,Z）-苯基。中间产物有烷烃（2,2-二甲基癸烷、十二烷、2,6,11-三甲基十二烷、十四烷、2-甲基二十六烷和 2-甲基二十六烷）、醇类（十三烷-1-醇、2,5-二甲基六-1,5-二烯-3,4-二醇和十四烷-1-醇）、醛（3-十五烷酮、壬醛和十四烷醛）和酸（(Z)-4-（十二烷氧基）-4-氧代丁基-2-烯酸和七醋酸甲酯）。根据气相色谱-质谱（GC-MS）的结果，可以简单地推断出 PS 的生物降解机理。PS被两种海洋细菌解聚，导致链断裂。生物降解副产品（如烷烃和芳香烃）被释放出来，随后可能被氧化成醇、醛和羧酸形式。最后，生成的脂肪酸经过β-氧化作用产生乙酰辅酶A，最后参与三羧酸循环（TCA），并矿化为 CO₂、CH₄ 和 H₂O。

图 2. 降解30天后的培养上清液的气相色谱-质谱（GC-MS）分析

为了观察微塑料的形态特征，使用10% KOH去除生物质后，肉眼可观察到大量的悬浮颗粒（图3a），表明微生物降解过程中形成了大量的微塑料。通过光学显微镜和扫描电镜（SEM-EDS）观察到溶液中的颗粒呈现不规则的形状，其大小也从纳米到微米不等（图3b，c，d）。进一步观察微塑料的形态发现，与未接种细菌的对照组相比，生物降解过程中产生的微塑料表面相对粗糙，这可能是由于微生物分泌的胞外酶会持续的降解微塑料或者产生的微塑料会刺激微生物产生活性氧（ROS）从而攻击微塑料表面导致的。此外，在较大的微塑料表面也观察到了纳米微塑料的形成，这表明释放的较大微塑料会进一步降解产生更多的纳米微塑料。纳米微塑料具有更小的尺寸和更大的比表面积，会吸附更多的重金属和有机污染物。因此，生物降解过程中纳米微塑料的增加可能会对海洋生态系统造成更多不利的影响。

图3. 微生物降解后微塑料的形态观察

（a）超纯水中的微塑料；（b）微塑料的光学显微镜观察；（c）细菌降解后释放的纳米塑料的扫描电镜图像。插图显示了相应的EDS结果；（d）在3、5、10和30天中PS薄膜释放微塑料的形态。

相关论文：

Lv S, Cui K, Zhao S, Li Y, Liu R, Hu R, Zhi B, Gu L, Wang L, Wang Q, Shao Z. Continuous generation and release of microplastics and nanoplastics from polystyrene by plastic-degrading marine bacteria. J Hazard Mater. 2024 Mar 5;465:133339. doi: 10.1016/j.jhazmat.2023.133339. Epub 2023 Dec 22. PMID: 38150757.

汇编：Li G. & Zhu Z.

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