聚乙烯高效降解新菌株Bacillus sp. PE4的筛选、表征及其降解机制与工艺优化研究

《Microbiology Spectrum》：Screening and characterization of Bacillus sp. PE4 with polyethylene degradation capacity

本综述系统报道了从农田残膜土壤中筛选获得一株高效聚乙烯（PE）降解菌——芽孢杆菌（Bacillus sp.）PE4。该菌株在30天内可使PE薄膜失重率达4.93%，经工艺优化（pH 7.5、接种量4.0%、PE热预处理）后，100天失重率提升至27.8%。研究通过扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、非靶向代谢组学（LC-MS/MS）等多技术联用，证实其通过分泌胞外过氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）引发PE表面蚀刻及分子链断裂，产生短链羧酸、二羧酸等降解产物，为微生物修复PE污染提供了高效菌种资源和理论依据。

　　

筛选与鉴定PE降解菌株

研究从浙江省覆盖残留塑料薄膜的农田土壤中分离出五株能以聚乙烯（PE）为唯一碳源生长的细菌，经16S rRNA基因序列分析鉴定均为芽孢杆菌属（Bacillus sp.），其中菌株PE4降解效率最高。系统发育树和BLASTN比对显示其与Bacillus amyloliquefaciens等菌株相似度达99%（图1，表1）。

PE降解特性分析

生长实验表明，五株菌在PE粉末为碳源时生长优于PE薄膜，因粉末比表面积更大利于微生物附着（图2）。尽管PE4菌体生长量（OD₆₀₀）最低，但其对PE薄膜的降解效率最高（30天失重率4.93%），且使PE粉末结晶度降至0.43（图3-4）。扫描电镜（SEM）显示PE4处理后的PE薄膜表面出现孔洞、裂纹，粉末表面沟槽加深（图5）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）未检测到新增含氧官能团，提示降解可能以非氧化途径为主（图6）。非靶向代谢组学分析发现降解后发酵液中出现辛酸、己二酸等短链羧酸及醛类产物，证实PE分子链发生断裂（图7）。

PE降解工艺优化研究

通过混合培养、紫外诱变、环境参数调控及PE预处理优化降解效率。结果显示：PE1与PE4共培养时降解效果最佳（失重率较纯培养提升155%），而紫外诱变PE4反而使效率降至65.8%（图8a）。最适降解条件为pH 7.5、接种量4.0%，此时PE薄膜失重率分别达27.8%和23.4%。PE薄膜经100°C水浴预处理后降解效果最显著（失重率提升120%），优于紫外和硝酸处理（图8b）。酶活检测表明，过氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）活性与降解效率呈正相关，且POD变化更显著，推测其为关键降解酶（图8c-d）。

讨论与结论

芽孢杆菌PE4展现“弱生长-高降解”特性，其高效降解能力主要依赖胞外酶系统而非菌体生物量积累。共培养策略和热预处理可显著提升降解效率，而酶促反应（尤其是POD）在PE链断裂中起核心作用。该研究为PE污染生物治理提供了高效菌种资源，并为揭示其降解机制奠定了理论基础。