《Polymer Degradation and Stability》：Novel biosurfactant assisted biodegradation of polystyrene by Actinomycetes and its chemical understanding
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高效降解聚苯乙烯的放线菌菌株及新型生物表面活性剂协同作用研究
阿姆拉帕利·萨克帕尔（Amrapali Sakpal）|纳兹鲁尔·哈克（Nazrul Haq）|桑塔努·达斯古普塔（Santanu Dasgupta）|法尔斯·阿拉纳齐（Fars Alanazi）|易卜拉欣·A·阿尔萨拉（Ibrahim A. Alsarra）|马布布·阿拉姆（Mahboob Alam）|赛义德·G·达斯塔格尔（Syed G. Dastager）
NCIM资源中心，生物化学科学部，CSIR-国家化学实验室，浦那411008，印度
摘要
本研究重点介绍了两种放线菌菌株——Glutamicibacter sp. K-1和Rhodococcus sp. BG-30对聚苯乙烯的有效生物降解作用。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）和凝胶渗透色谱（GPC）数据展示了聚苯乙烯的降解过程。此外，气相色谱-质谱（GC-MS）分析显示，菌株K-1产生了多种降解副产物，包括烷烃、2,4-二丁基酚、2-丙烯酸、十三烷基酯和邻苯二甲酸二丁酯；而菌株BG-30则产生了更多的烷烃、邻苯二甲酸和异丁基辛酯。GPC分析表明聚苯乙烯的平均分子量（Mn）有所下降，这表明聚合物发生了链断裂。原子力显微镜（AFM）和场发射电子显微镜（FE-SEM）观察到了聚苯乙烯表面粗糙度及其他形态学性质的变化。本文还研究了传统鼠李糖脂和新型耐热生物表面活性剂脂肪烯烃（各0.1%）对聚苯乙烯降解的影响。在脂肪烯烃生物表面活性剂存在下，菌株K-1和BG-30的降解率分别达到了12%（w/w）和16%（w/w）；而在鼠李糖脂存在下，降解率分别为10%（w/w）和8%（w/w）。据我们所知，Glutamicibacter sp.对聚苯乙烯的降解作用属于新发现的菌株特性，而新型生物表面活性剂的使用进一步证明了它们利用微生物资源降解塑料、减轻塑料污染的潜力。
引言
根据Plastics Europe的报告，原油、天然气或煤炭等碳氢化合物是合成塑料的主要来源。原油是一种由数千种化合物组成的复杂混合物，通过蒸馏过程可生成煤油、柴油、汽油、石脑油等，其中石脑油是生产塑料的主要原料。根据不同的单体（如丙烯、乙烯、苯乙烯），会形成相应的聚合物，这些聚合物具有不同的性质、结构和大小。由于塑料在包装、建筑、交通、电气、电子、家居、医疗和农业等领域的广泛应用，目前已生产了约83亿吨原生塑料[1]。预计到2050年，全球塑料产量将达到9.02亿吨至11.24亿吨[2]。聚苯乙烯（PS）因其高密度和复杂的结构稳定性而难以生物降解。尽管在PS表面形成了不同的生物膜，但其被生物体降解的机制仍不明确[3]。已有研究表明，Rhodococcus ruber [4]、Bacillus sp [5]、Pseudomonas sp [6]、Exiguobacterium sp.和Enterobacter sp. [7]等细菌具有降解PS的能力，因为它们可以利用PS作为碳源和能量来源。
许多研究揭示了塑料对土壤微生物群的负面影响。塑料的使用还破坏了海洋生态系统，导致内分泌系统紊乱、肠道堵塞和感官异常。焚烧等机械处理方法会产生呋喃、二噁英、重金属和硫化物等有毒物质[8]。虽然采取了填埋、回收等措施来应对塑料污染，但这些方法仍存在负面影响[9]。因此，人们开发了新的方法来克服这些问题，包括通过化学和机械处理、光降解及生物降解来回收塑料。机械回收包括分选、清洗、研磨和挤出，但由于塑料质量下降，最终产品价值较低[10]。此外，这种方法能耗高且成本高昂。光降解通过紫外线照射改变微塑料的微观结构和物理性质，但耗时较长。
本研究的目的是识别并评估微生物与生物表面活性剂结合使用对聚苯乙烯降解的效率，以解决塑料污染问题。研究首先分离并鉴定具有降解塑料能力的微生物，然后对其进行广泛测试以评估其降解效率，特别是其分解PS的能力。这一发现为优化生物修复策略开辟了新途径。通过将最有效的塑料降解微生物与合适的生物表面活性剂结合，可以开发出一种环保且可持续的塑料废物管理方法。
样本采集与分离
样本来自印度马哈拉施特拉邦浦那的三个不同垃圾填埋场：bhumi绿色能源厂（北纬18° 28′ 54.2712″，东经73° 57′ 8.7192″）、Kothrud垃圾场（北纬18° 30′ 21.7728″，东经73° 48′ 17.7804″）以及浦那军营区（北纬18° 29′ 6.1764″，东经73° 53′ 22.128″）。微生物通过标准系列稀释法进行分离。稀释后的样本被接种在最小盐琼脂（MSM）平板上——成分包括1.0克NH4NO3、0.2克MgSO4·7H2O、1.0克K2HPO4、0.1克CaCl2·2H2O和0.15克KCl。
潜在PS降解菌的定性筛选
根据形态差异，在以石蜡油为碳源的MSM琼脂平板上共分离出38个菌株，包括36种细菌和2种真菌。随后使用脂肪酶和酯酶的定性方法对这些菌株进行了筛选，以确定潜在的降解菌。
讨论
本研究证明了两种放线菌菌株——K-1（Glutamicibacter sp.）和BG-30（Rhodococcus sp.）具有降解PS的能力。PS是一种难降解的合成聚合物，具有刚性的芳香骨架和疏水性。由于大多数放线菌具有多样的代谢途径，因此它们能够有效降解高分子量聚合物。此前已有研究表明新型脂肪烯烃生物表面活性剂对此类降解过程具有促进作用
结论
本研究展示了使用两种放线菌——Glutamicibacter sp.和Rhodococcus sp.成功降解聚苯乙烯的过程，为解决塑料污染提供了一种环境可持续的方法。通过全基因组测序和化学性质变化的研究，首次确认Glutamicibacter sp.具有降解PS的潜力，扩展了已知能够降解合成聚合物的微生物种类。这一发现具有重要意义
环境影响
聚苯乙烯因其稳定的C–C骨架和芳香结构而成为持久性污染物，难以被微生物降解。本研究证明了两种放线菌菌株——Glutamicibacter sp.（新发现的菌株）和Rhodococcus sp.的降解潜力。在新型脂肪烯烃生物表面活性剂的作用下，它们的降解效率显著提高。该研究揭示了这些微生物的双重作用CRediT作者贡献声明
阿姆拉帕利·萨克帕尔（Amrapali Sakpal）：撰写原始稿件、编辑、实验研究。赛义德·G·达斯塔格尔（Syed G Dastager）：监督、数据可视化、数据管理。纳兹鲁尔·哈克（Nazrul Haq）：数据可视化。法尔斯·阿拉纳齐（Fars Alanazi）：数据可视化。易卜拉欣·阿尔萨拉（Ibrahim Alsarra）：数据可视化。马布布·阿拉姆（Mahboob Alam）：数据可视化。桑塔努·达斯古普塔（Santanu Dasgupta）：数据可视化
数据可用性
菌株K-1（Glutamicibacter sp.的全基因组测序数据可在NCBI数据库中找到，编号为SRA PRJNA1307848；菌株BG-30（Rhodococcus sp.）的测序数据编号为SRA PRJNA1307872。CRediT作者贡献声明
阿姆拉帕利·萨克帕尔（Amrapali Sakpal）：撰写原始稿件、验证方法、实验研究、数据分析。纳兹鲁尔·哈克（Nazrul Haq）：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法设计、资金申请。桑塔努·达斯古普塔（Santanu Dasgupta）：撰写、审稿与编辑、项目管理、概念构思。法尔斯·阿拉纳齐（Fars Alanazi）：撰写、审稿与编辑、项目管理、数据分析。易卜拉欣·A·阿尔萨拉（Ibrahim A. Alsarra）：撰写、审稿与编辑、项目监督、资源协调、项目管理
致谢
本研究得到了印度浦那CSIR-国家化学实验室（411008）提供的分析设施支持，以及印度孟买Reliance Industries Limited的财务援助。N.Haq感谢沙特阿拉伯利雅得King Saud大学的“持续研究资助计划（ORF-2025-1116）”对本研究的支持。
