《International Biodeterioration & Biodegradation》：Polystyrene biodegradation by
Serratia marcescens isolated from a freshwater reservoir
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本研究从土耳其帕兰德肯水库分离出11株淡水细菌，发现S. marcescens V9菌株在实验室条件下对聚苯乙烯（PS）具有显著降解能力，通过重量损失、扫描电镜、ATR-FTIR及热重分析证实其通过氧化链断裂和生物膜形成实现PS降解，为淡水环境塑料降解提供了新证据。
作者：?pek ?elen-Erdem、Douglas G. Hayes、Sad?k Kalayc?、?zge Karab?y?k Acar、Fikrettin ?ahin
土耳其伊兹密特佩大学（Yeditepe University）遗传学与生物工程系
摘要
聚苯乙烯（PS）是一种源自化石燃料的持久性聚合物，会在淡水系统中积累，但其在这些环境中的微生物降解过程仍知之甚少。本研究从帕兰多肯大坝（Paland?ken Dam，土耳其）中分离出淡水细菌，并在受控实验室条件下测试了它们降解PS的能力。在11种分离出的细菌中，S. marcescens V9在实验室淡水条件下的PS降解效率最高。定量分析显示，30天、60天和90天后，PS的重量分别减少了5.5%、6.9%和13.3%。扫描电子显微镜（SEM）观察到了生物膜的形成和表面侵蚀现象，而衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和热重分析（TGA）则表明形成了新的含氧功能团，同时热稳定性降低。凝胶渗透色谱（GPC）显示PS的数均分子量和重均分子量分别减少了28-30%，这反映了聚合物链的断裂。质量平衡计算表明PS的碳部分转化为了生物量和氧化产物，尽管未能直接量化CO2的释放量，也无法确认其完全矿化。总体而言，这些发现支持了一种与生物膜相关的氧化降解机制，并为淡水细菌降解PS提供了综合证据，突显了S. marcescens V9在环境相关塑料降解过程中的潜在作用。
引言
自塑料材料问世以来，塑料垃圾对人类社会和环境构成了严重威胁。塑料垃圾的处理方式可能对环境造成危害，常见的处理方法包括焚烧、填埋和倾倒入海洋（Woo等人，2020年）。一旦释放到环境中，塑料垃圾会在生态系统中积累，对环境和人类社会产生负面影响（Barnes等人，2009年）。特别是聚苯乙烯（PS）由于其环境持久性和广泛使用，已成为一个主要的环境问题。2019年，全球PS的产量达到了1561万吨，同年全球塑料总产量约为3.7亿吨（Arunrattiyakorn等人，2022年）。PS约占塑料总产量的6.4%，被广泛应用于包装、绝缘、食品托盘、杯子、玩具和液体容器等各种领域（Yang等人，2021年）。PS在自然环境中降解速度很慢，需要数百年才能完全矿化。此外，PS的回收、再利用和升级非常困难且成本高昂，全球回收率估计低于1%（Geyer等人，2017年）。这些限制使得PS成为废物管理中最持久和最具问题的聚合物之一。不当处理和PS材料的积累会降低土壤肥力并增加填埋场体积。
PS在使用于育苗盘、水培系统和建筑绝缘材料后产生的碎片会通过风和水扩散，最终形成微塑料（MP）和纳米塑料（NP），这些微塑料可以渗透到土壤和地下水中（Li等人，2018年；Luo等人，2022年）。PS微塑料会在农业土壤中积累，改变其物理化学性质，可能危害农作物和土壤生物，并可能渗出苯乙烯单体和添加剂，从而威胁地下水质量（Luo等人，2022年；Briassoulis，2023年；Oladele等人，2023年）。此外，由于PS的丰富性和持久性，其在水生环境中的污染问题日益严重，来源包括风吹来的垃圾、地表径流、受污染土壤的渗漏以及污水处理厂（WWTP）的排放物。最近的大规模调查显示，淡水及沿海沉积物中PS微塑料的含量很高，表明PS是河流和河口系统中的主要聚合物之一（Vignesh等人，2024年；Maheswaran等人，2024年）。研究表明，PS微塑料会对多种水生生物造成氧化应激和细胞损伤。Rochman等人（2019年）发现，海洋鱼类长期暴露于PS颗粒会导致氧化应激和免疫系统紊乱。Anjana等人（2020年）报道，暴露于PS微塑料的淡水鱼类出现了显著的肠道炎症和上皮损伤。Joshi等人（2022年）记录了底栖无脊椎动物体内PS片段的生物累积及其相关的生理障碍。这些影响会破坏水生生态系统，并可能通过食物链间接影响人类健康。
PS污染带来的生态和人类健康风险因PS微塑料具有吸附和运输有害有机污染物的能力而加剧。特别是PS焚烧会释放有毒物质，如多环芳烃（PAH）、苯乙烯蒸气和二噁英（Al-Salem等人，2017年），这凸显了它对环境和公共健康的风险。最新证据表明，PS不仅会释放致癌的PAH，还在海洋环境中充当这些持久性有机污染物的来源和汇。Rochman等人（2013年）发现，海水中的PS颗粒能吸附并积累PAH，其浓度比其他常见聚合物（如聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、高密度和低密度聚乙烯HDPE和LDPE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC）的PS微塑料高出200倍，表明海洋生物摄入后可能会有更高的毒性风险。Yeo等人（2022年）报告，从海滩收集的膨胀PS泡沫中的PAH浓度显著升高，最高可达11,800 ng/g，表明其具有很强的环境吸附能力。这些发现共同表明，PS碎片是海洋生态系统和人类食物链中PAH传输的主要载体。此外，PS微塑料中含有的有害化合物（包括单体、寡聚物、邻苯二甲酸酯增塑剂和催化剂残留物）的渗出可能污染农业土壤和地下水。
先前的研究一致表明，PS和其他常见塑料在实验室条件下的生物降解速率非常缓慢。Shah等人（2008年）发现，PS、PE和PP在多种微生物群落的作用下仅发生轻微降解。Ho等人（2018年）进一步报告，在富集的土壤菌株存在下，PS的降解率在几周内很少超过几个百分点。大多数关于微生物吸收PS的实验室研究显示，几周到几个月内重量损失不到10%，表明降解速率很慢（Yang等人，2015a；Liu等人，2023年）。
早期研究的一个主要局限性在于依赖表面分析方法（如扫描电子显微镜（SEM）、衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）而缺乏直接的分子水平验证。Mohanan等人（2020年）强调，尽管有越来越多的证据表明微生物可以降解塑料，但PS的实际矿化或显著链断裂仍然有限，需要通过多种分析方法进行验证。真正的PS生物降解应通过凝胶渗透色谱（GPC）和CO2呼吸测定等相关技术来验证分子量的减少和CO2的产生（Yang等人，2015a；Wang等人，2020年）。
此外，最近的综述指出，与其他塑料相比，PS生物降解的动力学途径仍知之甚少，能够提供分子水平证据的研究相对较少（Raddadi和Fava，2019年；Urbanek等人，2018年）。因此，扩展对PS降解微生物及其途径的认识对于克服其难降解性至关重要。大多数现有研究集中在昆虫肠道中的碳氢化合物降解细菌群落、土壤来源的微生物群落或混合环境微生物群上，对于单一细菌分离株在环境相关条件下的链断裂证据有限。例如，黄粉虫（Mealworm）肠道微生物群包含Citrobacter、Enterobacter、Klebsiella和Serratia等属，这些细菌参与PS的氧化和水解转化（Matyakubov和Lee，2024年）。其他关于PS降解的研究主要报道了Gordonia、Exiguobacterium、Pseudomonas和Rhodococcus等属（Shah等人，2008年；Mohanan等人，2020年；Brandon等人，2021年）。Park等人（2023年）从Tenebrio molitor中分离出了多种PS降解菌株，包括Acinetobacter、Agrobacterium、Pseudomonas和Serratia，进一步证实能够启动PS链断裂的细菌种类比之前认为的更为多样。这些新发现表明，微生物对PS的降解可以通过多种途径发生，但其潜在机制仍不完全清楚，尤其是在淡水环境中，微生物群落与土壤或昆虫肠道系统存在显著差异。此外，与土壤或黄粉虫相关的微生物相比，淡水来源的PS降解菌研究较少，这一重要的生态位尚未得到充分探索。
本研究的总体目标是调查淡水细菌降解PS的有效性，并获得PS链断裂的直接分子证据。本研究并不假设淡水细菌一定比之前接触过微塑料的微生物更有效，而是旨在评估在受控实验室条件下自然存在的非工程化淡水细菌的生物降解潜力，认识到淡水系统是塑料传输途径中的重要上游储库。本研究的主要目标是：（1）从土耳其帕兰多肯大坝的淡水样本中分离并筛选具有PS降解能力的细菌；（2）鉴定和表征最有效的PS降解菌株；（3）使用多种分析方法（包括重量损失、SEM、ATR-FTIR、热重分析（TGA）和GPC）评估最有效细菌的降解潜力。选择帕兰多肯大坝作为研究地点，是因为该地区塑料污染严重（例如塑料袋和瓶子）（Cevik等人，2022年）。持续的塑料垃圾暴露可能有利于微生物群将其作为碳源利用。从这种环境中取样增加了分离出自然适应的、具有塑料降解能力的微生物的机会。本研究鉴定出一种名为S. marcescens V9的淡水细菌，该细菌能够形成生物膜、促进PS薄膜的表面氧化和分子链断裂。证明非昆虫、非土壤来源的细菌也能降解PS，扩展了已知的可发生PS生物降解的生态位。此外，跨多种分析平台的降解特征验证增强了生物降解评估的可靠性，并为未来关于淡水系统中微生物塑料转化的研究提供了框架。据作者所知，此前尚未有关于淡水细菌降解PS的如此全面的多分析证据。
研究区域和样本收集
研究区域和样本收集
2022年7月，在土耳其埃尔祖鲁姆（Erzurum）的帕兰多肯大坝（坐标N 32°26′39″ E 41°0′57″）收集了水样，当时水温平均为18 ± 1°C。该大坝由Lezgi和Pisyan小溪等地表水流以及附近的泉水补给。每个样本中，450毫升的大坝水与50毫升0.85%（w/v）的NaCl无菌溶液混合，然后置于500毫升无菌玻璃瓶中，以维持渗透压平衡并促进运输过程中的微生物存活。瓶子被放置在摇床中……
分离细菌对PS的降解作用
PS的生物降解
作为初步研究，从帕兰多肯大坝收集的水样中选取了11种微生物，在30 ± 1°C的静态黑暗淡水条件下进行了30天的PS降解实验。这些微生物分别在含有PS薄膜作为唯一碳源的人工培养基上单独培养。在此期间，通过重量损失监测它们的降解速率。S. marcescens V9的降解速率最高，为5.49 ± 0.27%（表1）。
结论
根据本研究，S. marcescens V9是一种能够通过生物膜辅助的表面侵蚀和氧化链断裂来分解聚苯乙烯的淡水细菌。多分析数据一致显示了聚合物的转化，包括分子量损失、表面氧化和热稳定性下降。所提出的降解途径涉及PS碳-氢键的氧化断裂，导致部分解聚。这些发现突显了S. marcescens的潜力……
作者贡献声明
?pek ?elen-Erdem：撰写初稿、研究设计、概念构思。Douglas G. Hayes：撰写、审稿与编辑、研究协助。Sad?k Kalayc?：研究协助、数据管理。?zge Karab?y?k Acar：撰写、审稿与编辑。Fikrettin ?ahin：概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢伊兹密特佩大学化学工程系的Beyza Abi?o?lu在热重分析（TGA）方面提供的帮助。
