海洋所發(fā)現(xiàn)可有效降解聚丙烯及高效降解可降解塑料的海洋真菌及酶
近日,國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Journal of Hazardous Materials刊發(fā)了題為“A marine fungus Alternaria alternata FB1 degrades polypropylene”的文章,該研究由中國(guó)科學(xué)院海洋研究所孫超岷團(tuán)隊(duì)完成,首次報(bào)道了一株能夠有效降解聚丙烯(PP)塑料的海洋真菌,并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)、體外異源表達(dá)以及體內(nèi)基因敲除技術(shù),提出了其潛在的降解機(jī)制。
隨著近年來(lái)全球塑料污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻,尋找能夠高效降解塑料的菌株和酶成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。聚丙烯是全球使用量?jī)H次于聚乙烯(PE)的通用塑料,約占全球塑料消費(fèi)市場(chǎng)份額的21%,預(yù)計(jì)到2030年,其市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1.29億噸。聚丙烯化學(xué)結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,被廣泛應(yīng)用于食品包裝、醫(yī)療產(chǎn)品及汽車制造等領(lǐng)域。然而,這種穩(wěn)定性也是一把“雙刃劍”,導(dǎo)致廢棄PP在環(huán)境中可存在數(shù)百年,嚴(yán)重威脅陸地及水生生態(tài)系統(tǒng)。傳統(tǒng)處理方式如焚燒與化學(xué)回收不僅能耗高、成本大,還容易造成二次污染。相比之下,微生物降解因綠色環(huán)保而被視為潛在解決方案。然而,由于PP結(jié)構(gòu)的高度疏水性和化學(xué)穩(wěn)定性,微生物難以附著和降解,導(dǎo)致其生物處理研究長(zhǎng)期滯后。以往大多數(shù)研究依賴預(yù)處理手段來(lái)提升其可降解性,但這也顯著增加了成本,限制了工業(yè)化應(yīng)用。
研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)大量篩選,獲得了一株有效降解塑料的海洋真菌Alternaria alternata FB1。前期研究成果顯示該菌株不僅能夠降解傳統(tǒng)聚烯烴類塑料(如聚乙烯),還對(duì)可降解塑料PBAT表現(xiàn)出了顯著降解活性。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該真菌可以在未經(jīng)任何預(yù)處理的純PP薄膜表面迅速定殖,并在短短一周內(nèi)形成明顯的降解孔洞。研究人員進(jìn)而采用紅外光譜、X射線衍射、凝膠滲透色譜等手段對(duì)其降解能力進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果顯示其解聚效率最高可達(dá)65%。通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜分析,鑒定出該真菌降解PP的主要產(chǎn)物是兩種烯烴(9-十八烯和1-十九烯),占比達(dá)到70%。結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)和異源表達(dá)技術(shù),研究人員解析了介導(dǎo)該真菌降解PP的潛在酶系,并從中獲得了兩種具有PP降解活性的酶種。本研究的亮點(diǎn)之一在于創(chuàng)新性地采取基因敲除手段評(píng)估了不同降解酶缺失突變株對(duì)PP的降解效率,并基于相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)了PP的潛在降解機(jī)制。未來(lái),研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)遺傳改造進(jìn)一步優(yōu)化菌株性能,以實(shí)現(xiàn)更高效的工業(yè)化應(yīng)用。該研究為未來(lái)聚丙烯規(guī)?;到馓峁┝酥匾蜻x菌株,并為揭示真菌降解聚烯烴的分子機(jī)制奠定了理論基礎(chǔ)。

圖1 海洋真菌Alternaria alternata FB1對(duì)聚丙烯塑料的定殖和降解效果

圖2 海洋真菌Alternaria alternata FB1降解聚丙烯塑料的推測(cè)模型
與此同時(shí),孫超岷團(tuán)隊(duì)在其他生物可降解塑料領(lǐng)域也取得突破性進(jìn)展。在對(duì)該真菌的深入研究中,團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新型海洋真菌角質(zhì)酶 AaCut10,該酶在溫和條件下對(duì)聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚己內(nèi)酯(PCL)表現(xiàn)出極高降解活性。AaCut10在37℃下,20 分鐘內(nèi)對(duì)PBS和PCL膜的降解率分別達(dá)到了26.33%和85.67%。在其對(duì)二者的乳化液降解檢測(cè)中,該酶在室溫條件下僅1分鐘即實(shí)現(xiàn)了對(duì)PBS和PCL的降解率分別達(dá)到81.88%和99.45%。此外,Ca2?、Mg2?和Mn2?等金屬離子的加入顯著提高了其活性。結(jié)合AlphaFold結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)突變分析,研究人員確定 Leu209和Leu216 對(duì)AaCut10的降解活性發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)規(guī)?;幚鞵BS和PCL塑料廢棄物提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和候選酶。相關(guān)研究成果目前已刊發(fā)在微生物學(xué)經(jīng)典期刊Applied and Environmental Microbiology上。

圖3 海洋真菌Alternaria alternata FB1角質(zhì)酶AaCut10對(duì)PBS和PCL的降解效果

圖4 野生型AaCut10與其突變體L209A/L216F的降解速率比較和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)
海洋所實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室博士研究生蘇振杰及青島大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生朗豐娟為第一作者,孫超岷和吳仕梅為通訊作者。研究得到了山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、國(guó)際科學(xué)組織聯(lián)盟重點(diǎn)合作研究項(xiàng)目等聯(lián)合資助。
論文信息:
Zhenjie Su,Fan Fei,Rui Liu,Chaomin Sun*. A marine fungus Alternaria alternata FB1 degrades polypropylene. Journal of Hazardous Materials,2025,139621,DOI: 10.1016/j.jhazmat.2025.139621.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389425025403
Fengjuan Lang,Fan Fei,Chaomin Sun*,Shimei Wu*. Highly efficient degradation of polybutylene succinate (PBS) and polycaprolactone (PCL) by a recombinant marine fungal cutinase.Applied and Environmental Microbiology,2025,e0083325. Doi: 10.1128/aem.00833-25.?
https://journals.asm.org/doi/10.1128/aem.00833-25
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