丛毛单胞菌生活在废水中，它们将塑料垃圾分解为食物。图片来源：Ludmilla Aristilde/西北大学
这一发现可能为利用生物工程手段解决塑料垃圾清理问题铺平道路。研究人员长期以来一直观察到，一种常见的环境细菌——丛毛单胞菌科，生长在城市河流和污水系统中随处可见的塑料上。但这些丛毛单胞菌究竟在做什么，仍然是个谜。
现在，西北大学领导的研究人员发现了一种丛毛菌属细菌的细胞如何分解塑料以获取食物。首先，它们将塑料咀嚼成小块，称为纳米塑料。然后，它们分泌一种特殊的酶，进一步分解塑料。最后，研究人员发现，细菌利用塑料中的碳原子环作为食物来源。
这一发现为开发基于细菌的工程解决方案开辟了新的可能性，以帮助清理难以清除的塑料废物，这些废物会污染饮用水并危害野生动物。
该研究于10 月 3 日发表在《环境科学与技术》杂志上。
“我们首次系统地展示了废水细菌能够以塑料为原料，将其分解、破碎、分解，并将其用作碳源，”这项研究的负责人、西北大学的 Ludmilla Aristilde 指出：“这种细菌能够完成整个过程，这真是太神奇了，我们还发现了一种负责分解塑料材料的关键酶。这可以进行优化和利用，以帮助清除环境中的塑料。”
Aristilde 是环境过程中有机物动力学方面的专家，也是西北大学麦考密克工程学院环境工程副教授，她还是合成生物学中心、国际纳米技术研究所和 Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所的成员。这项研究的共同第一作者是 Aristilde 实验室的前博士生 Rebecca Wilkes 和 Aristilde 实验室现任博士后研究员 Nanqing Zhou。Aristilde 实验室的几位前研究生和本科生研究人员也为这项研究做出了贡献。
污染问题这项新研究以Aristilde 团队的先前研究为基础，该研究揭示了睾丸丛毛单胞菌代谢植物和塑料分解产生的简单碳的机制。在这项新研究中，Aristilde 和她的团队再次研究了睾丸丛毛单胞菌，这种菌生长在聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 上，这是一种常用于食品包装和饮料瓶的塑料。由于 PET 不易分解，因此是塑料污染的主要来源。
“值得注意的是，PET 塑料占全球塑料总使用量的 12%”，Aristilde 说：“而且它占废水中微塑料的 50%。”
降解塑料的先天能力为了更好地了解睾丸酮杆菌如何与塑料相互作用并以塑料为食，Aristilde 和她的团队使用了多种理论和实验方法。首先，他们从废水中分离出细菌，并将其培养在 PET 薄膜和颗粒上。然后，他们使用先进的显微镜观察塑料材料的表面随时间的变化。接下来，他们检查了细菌周围的水，寻找塑料分解成更小的纳米级碎片的证据。最后，研究人员观察了细菌内部，以确定细菌用来分解 PET 的工具。
“在细菌的作用下，微塑料被分解成微小的塑料纳米颗粒，”Aristilde 说：“我们发现废水细菌具有将塑料分解成单体（即结合在一起形成聚合物的小单元）的先天能力。这些小单元是细菌可以利用的生物可利用碳源，用于生长。”
在确认睾丸酮杆菌确实可以分解塑料后，Aristilde 下一步想了解其分解过程。通过可以测量细胞内所有酶的组学技术，她的团队发现了这种细菌在接触 PET 塑料时会表达一种特定酶。为了进一步探索这种酶的作用，Aristilde 要求田纳西州橡树岭国家实验室的合作者准备不具有表达这种酶能力的细菌细胞。令人惊讶的是，没有这种酶，细菌分解塑料的能力就会丧失或显著减弱。
塑料在水中如何变化尽管Aristilde 想象这一发现可能被用于环境解决方案，但她也表示，这些新知识可以帮助人们更好地了解塑料在废水中的演变方式。
“废水是微塑料和纳米塑料的巨大储藏库，”Aristilde 强调：“大多数人认为纳米塑料以纳米塑料的形式进入污水处理厂。但我们的研究表明，纳米塑料可以在污水处理过程中通过微生物活动形成。这是我们需要关注的事情，因为我们的社会试图了解塑料从废水到接收河流和湖泊的整个旅程中的行为。”
参考文献：《废水丛毛单胞菌将聚对苯二甲酸乙二醇酯颗粒分解为纳米塑料和可吸收碳的机理》，作者：Rebecca A. Wilkes、Nanqing Zhou、Austin L. Carroll、Ojaswi Aryal、Kelly P. Teitel、Rebecca S. Wilson、Lichun Zhang、Arushi Kapoor、Edgar Castaneda、Adam M. Guss、Jacob R. Waldbauer 和 Ludmilla Aristilde，2024 年 10 月 3 日，环境科学与技术。DOI：10.1021/acs.est.4c06645
该研究得到美国国家科学基金会（奖励编号 CHE-2109097）的支持。
来源：西北大学
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