寻找可以在低温下消化塑料的微生物

一些微生物产生可以消化塑料的酶，但使这些酶在工业规模上发挥作用通常需要30°C以上的温度，成本高昂。瑞士联邦研究所WSL的科学家现在发现了许多细菌和真菌菌株，可以在更低的温度下分解一些可生物降解的塑料。这些适应寒冷的微生物是从瑞士阿尔卑斯山高海拔地区和极地地区的土壤中采集的，可以使工业规模的塑料回收酶处理过程具有成本效益。

degradingmicrobialtrainsisolatedfromthealpineandArcticterrestrialplastisphere””。研究小组在论文中得出结论：“我们的研究结果表明，来自高山和极地地区的微生物是塑料降解酶的高效生产者，因此可能有助于未来环境友好型循环塑料经济的努力。”

作者写道，全球塑料年产量仍在快速增长，2020年已达到367兆吨。“传统塑料在环境中的持续存在、一次性塑料的过度使用和废物管理不善正在造成严重的环境问题。”研究人员继续说，传统的机械和化学方法的再利用和回收有“一些相当大的缺点”。他们建议，实现更可持续塑料经济的替代方法包括使用生物基和可生物降解塑料，以及“使用微生物塑料降解酶的新颖回收策略”。

寻找、培养和生物工程能够消化塑料并帮助解决污染的生物现在也是一门大生意。但是，虽然已经发现了几种可以做到这一点的微生物，但它们的酶发挥作用所需的加热意味着工业应用仍然成本高昂，而且不是碳中和的。

一种潜在的解决方案是识别专门的冷适应微生物，其酶在较低温度下发挥作用。科学家们表示：“然而，迄今为止，很少有人研究适应寒冷的微生物的塑料降解潜力。”在他们报告的工作中，Rüthi和同事对格陵兰岛、斯瓦尔巴群岛和瑞士的19种细菌菌株和15种真菌菌株进行了采样，这些菌株生长在自由放置或故意埋藏的塑料(在地下保存一年)。斯瓦尔巴群岛的大部分塑料垃圾是在2018年瑞士北极项目期间收集的，学生们进行了实地考察，亲眼目睹了气候变化的影响。来自瑞士的土壤是在格劳宾登州MuotdaBarbaPeider(海拔2,979米)山顶和ValLavirun山谷采集的。

科学家们让分离出的微生物在实验室的黑暗条件下和15°C下以单菌株培养物的形式生长，并利用分子技术对其进行鉴定。结果表明，细菌分属放线菌门和变形菌门13属，真菌分属子囊菌门和毛霉菌门10属。

然后，研究人员使用一套测定法来筛选每种菌株消化不可生物降解的聚乙烯(PE)和可生物降解的聚酯聚氨酯(PUR)以及两种市售的聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)无菌样品的能力。)和聚乳酸(PLA)。

即使在这些塑料上培养126天后，所有微生物菌株都无法消化PE。但其中19种(56%)菌株，包括11种真菌和8种细菌，能够在15°C下消化PUR，而14种真菌和3种细菌能够消化PBAT和PLA的塑料混合物。核磁共振(NMR)和基于荧光的检测证实这些菌株能够将PBAT和PLA聚合物切成更小的分子。

“令我们非常惊讶的是，我们发现大部分测试菌株能够降解至少一种测试塑料，”Rüthi说。科学家们表示：“一些分类群(例如Collimonas属、Kribbella属、Lachnellula属和Thelebolus属)首次被证明可以降解塑料。”“最值得注意的是，测试菌株在比之前报道的微生物菌株更低的温度(15°C)下降解了分散的PUR和聚酯薄膜ecovio®和BI-OPL。”

表现最好的是Neodevriesia属和Lachnellula属的两种未表征的真菌物种。这些微生物能够消化除PE之外的所有测试塑料。“真菌菌株800(Neodevriesiasp.)和943(Lachnellulasp.)是进一步研究的有希望的候选菌株，因为它们可以降解所有测试的可生物降解产品，并被证明可以减少塑料薄膜中PBAT和PLA成分的质量，并有效水解纯PBAT聚合物，”该团队指出。

结果还表明，大多数菌株消化塑料的能力取决于培养基，每种菌株对四种测试介质的反应不同。“......我们证明培养条件对塑料降解有很大影响。这一发现可能有助于优化微生物菌株实现的降解率，也可能对碳和养分含量有限的自然环境中的塑料降解产生影响，特别是在贫营养的北极和高山土壤中。”研究小组进一步指出，塑料降解微生物的筛选测试可能只能检测到潜在塑料降解菌株的一个子集，因为只测试了少数条件，“而某些菌株可能需要非常特定的条件来表达塑料降解菌株”酶。”

由于塑料自20世纪50年代才出现，因此几乎可以肯定，降解塑料的能力并不是自然选择最初的目标特征。那么消化塑料的能力是如何进化的呢?“微生物已被证明能够产生多种聚合物降解酶，参与植物细胞壁的分解，”合著者BeatFrey博士说，他是WSL的高级科学家兼小组组长。特别是，植物病原真菌经常被报道可以生物降解聚酯，因为它们能够产生针对塑料聚合物的角质酶，因为它们与植物聚合物角质相似。”

Rüthi和同事仅在15°C下测试了塑料消化，因此他们还不知道这些成功菌株的酶发挥作用的最佳温度。“但我们知道，大多数测试菌株都可以在4°C至20°C之间良好生长，最佳温度为15°C左右，”Frey说。正如作者在论文中总结的那样，“这项研究扩展了我们对微生物塑料降解的认识，并为未来发现冷活性塑料降解酶奠定了基础。已确定的微生物菌株可以作为在较低温度下开发高效且可持续的塑料废物回收的宝贵资源。”

弗雷补充道，“下一个重大挑战将是识别微生物菌株产生的塑料降解酶，并优化获得大量蛋白质的过程。此外，可能需要对酶进行进一步修饰以优化蛋白质稳定性等特性。”作者进一步评论道：“优化塑料降解的一种有前景的方法可能涉及识别编码相关酶的基因以及这些基因在合适宿主中的异源表达。”