在海水条件下，由海洋来源的Cladosporium oxysporum SCSIO 81042菌株对聚氨酯的生物降解作用，以及通过添加壳聚糖纳米颗粒作为辅助剂来增强这一降解过程的效果

《Environmental Research》：Biodegradation of polyurethane by marine-derived Cladosporium oxysporum SCSIO 81042 under seawater conditions and its enhancement by chitosan nanoparticles as adjuvant

海洋环境中聚氨酯降解真菌Cladosporium oxysporum SCSIO 81042的发现及其与壳聚糖纳米颗粒的协同降解机制研究。该真菌在模拟和真实海水条件下高效降解Impranil? DLN（4天降解94.5%），并可通过SEM和GPC证实固体PU材料结构破坏，CS-NP显著提升吸附及降解效率，且降解产物对斑马鱼胚胎无毒。研究为海洋微塑料污染生物修复提供新策略。

　　

曾祺|施志超|邓世静|吴婷标|吴丽红|郭巧巧|尹建平|范婷婷|田新鹏|李青莲

中国科学院南海海洋研究所热带海洋学国家重点实验室，中国广州 510301

摘要

海洋环境中微塑料的积累对生态系统构成了严重威胁。本研究报道了一种源自海洋的真菌Cladosporium oxysporum SCSIO 81042的分离与特性分析，该真菌能够在海水条件下降解聚氨酯（PU）。通过多级筛选，基于其对Impranil? DLN和基于聚(1,4-丁二醇酸酯) PBA的PU（PBA-PU）的优异水解活性选择了该菌株。该菌株对海水环境具有极强的适应性，在15–28°C、约3%的盐度和pH 7.5–8.0的条件下生长最佳。在模拟的海水盐度下，它在四天内降解了94.5%的Impranil? DLN，并且在连续两个周期内保持了持续的降解活性。在天然海水中，7天内几乎完全降解了0.1%的Impranil? DLN，且其降解产物对斑马鱼的发育毒性可忽略不计。值得注意的是，这种高效性在10升规模的海水实验中也得到了验证，大部分Impranil? DLN在7天内被降解。此外，在模拟海水盐度下，该菌株还导致固体PBA-PU薄膜和PU泡沫发生了结构损伤，尽管没有观察到显著的重量损失。代谢物分析证实了其能够水解PBA-PU中的酯键和脲键。此外，引入了壳聚糖纳米颗粒（CS-NP）作为粘合辅助剂，增强了所有测试PU基底的降解效果，可能是通过促进微生物附着和基底接触实现的。尽管在复杂PU泡沫的降解、CS-NP的环境归趋性以及微生物竞争方面仍存在挑战，但本工作证明了C. oxysporum SCSIO 81042和CS-NP辅助剂策略是生物修复海洋PU污染的有希望的工具。

引言

聚氨酯（PU）是一类通过二异氰酸酯、短链二醇（链延长剂）和多元醇的缩聚反应制备的合成聚合物。由于其优异的机械性能、耐腐蚀性、隔热性和结构多样性，PU被广泛应用于建筑、包装、海洋工程、汽车制造和电子领域。全球PU产量约占塑料总产量的7.9%，在所有聚合物类型中排名第六（Magnin等人，2020年；Liu等人，2021年）。从结构上看，PU是一种由硬段和软段组成的嵌段共聚物（Bhavsar等人，2024年）。其硬段由二异氰酸酯和链延长剂合成，通过相邻链上的N-H和C=O基团之间的氢键形成有序的结晶区域。相比之下，软段来自聚酯或聚醚多元醇（Magnin等人，2019年；Menon等人，2024年），具有无定形结构且氢键能力有限。稳定的脲键和微相分离结构使PU具有较高的化学耐久性和抗降解性。因此，大量废弃的PU材料进入自然环境并在海洋生态系统中积累，带来长期的生态风险。在海洋环境中，塑料碎片在紫外线辐射和波浪等物理作用下逐渐破碎成微塑料（MacLeod等人，2021年）。这些微塑料的微小尺寸使得清除变得困难。此外，它们可以吸附有机污染物和病原微生物，进入食物链，并被海洋生物和人类摄入。摄入后，微塑料可以穿过生物屏障，进入血液循环和组织，引发炎症反应或组织坏死（Taylor等人，2016年），从而威胁海洋生物多样性和人类健康。因此，迫切需要开发有效的海洋微塑料污染生物修复技术。

与传统机械和化学回收方法相比，微生物和酶促生物降解技术提供了一种环保且可持续的替代方案，适用于难以收集的海洋微塑料，因为这些方法具有温和的反应条件和环境相容性（Rossignolo等人，2024年）。迄今为止，已有报道表明属于Pseudomonas（Howard等人，1999年）、Bacillus（Blake等人，1998年）、Comamonas（Nomura等人，1998年）、Aspergillus（Khan等人，2017年）、Cladosporium（Liu等人，2023年）和Penicillium（álvarez-Barragán等人，2016年）属的微生物能够降解PU。然而，大多数这些菌株起源于陆地，在营养丰富、低盐度条件下评估了它们的降解效率。相比之下，海洋环境的特点是高盐度、复杂的离子组成和贫营养条件。这些不同的海水条件可能会影响陆地来源菌株的生长和酶活性，从而限制了它们在海洋环境中原位降解PU的实际应用。尽管已经鉴定出一些具有海洋起源的PU降解微生物，如Cladosporium halotolerans 6UPA1（Zhang等人，2022年）、Bacillus velezensi GUIA（Gui等人，2023年）和Stutzerimonas frequens GOM2（Maga?a-Montiel等人，2025年），但它们在模拟或实际海水条件下的降解性能仍需进一步评估。因此，分离和表征具有更强海洋环境适应性的PU降解菌株，并评估其在海水条件下的降解性能，对于推进未来的海洋微塑料污染生物修复策略至关重要。

微生物降解塑料的初始步骤被广泛认为是微生物对塑料表面的附着和定殖（Sun等人，2020年）。基于这一理解，我们提出了一种能够同时吸附微生物和微塑料的辅助剂，以增强这种关键的初始附着，从而提高特定菌株的整体降解效率。壳聚糖（CS）是一种天然的、可生物降解的、生物相容性的多糖，由甲壳类动物壳中的壳聚糖部分脱乙酰化获得，其分子结构中的氨基团（由N-乙酰葡萄糖胺和葡萄糖胺单元组成）通过静电相互作用和氢键有效吸附微塑料（Sun等人，2021年）。例如，CS/氧化石墨烯海绵已被证明在pH 6–8的条件下能有效去除各种功能化的微塑料（Sun等人，2021年）。此外，CS在中性条件下的正电荷使其能够与带负电的微生物细胞产生强烈的静电吸引，使其可用作微生物载体（Ullah等人，2025年；Jiang等人，2024年）。这一特性已在环境生物修复中得到应用，其中基于CS的载体保护微生物并增强其代谢活性（Jiang等人，2024年），例如在用于固定石油降解菌群的CS-生物炭复合材料中（Liu等人，2023年）。然而，天然CS的应用通常受到其相对较低吸附能力的限制，需要通过物理或化学改性来提高性能（Ullah等人，2025年；Yang等人，2021年）。在改性策略中，纳米技术是一种特别有效的方法（Xavier等人，2023年；Xavier等人，2025年）。壳聚糖纳米颗粒（CS-NPs）因其较大的比表面积、高亲和力和环境相容性而被认为是高效的纳米吸附剂（Poznanski等人，2023年；Benettayeb等人，2023年；Jiang等人，2024年）。与许多工程纳米材料相比，CS来源于天然壳聚糖，使得CS-NPs本质上更可生物降解且对环境更友好。值得注意的是，尽管CS-NPs对微塑料和微生物细胞具有双重亲和力，但它们尚未被用作增强微生物对微塑料附着以提高降解效率的辅助剂。

本研究使用Impranil? DLN和PBA-PU作为底物，从海洋样本中分离出73种能够降解PU的菌株，其中Cladosporium oxysporum SCSIO 81042的降解效率最高。与已报道的少数能在海水条件下降解PU的菌株相比，C. oxysporum SCSIO 81042不仅在典型的海水参数下表现出最佳生长，还能在天然海水中有效降解Impranil? DLN。此外，它在大型实验中的表现具有可扩展性，其降解产物对斑马鱼的急性毒性较低。尽管在14天内没有观察到固体PBA-PU薄膜或泡沫的显著重量损失，但扫描电子显微镜（SEM）和凝胶渗透色谱（GPC）分析证实了其在海水条件下的明显结构降解。此外，引入壳聚糖纳米颗粒（CS-NPs）作为新型粘合辅助剂，增强了所有PU基底的降解效果。这些发现不仅提供了一种有前景的微生物资源，也为未来提高海洋塑料生物修复效果提供了策略。

材料

聚(1,4-丁二醇酸酯)（PBA，重量平均分子量（Mw）= 2,000）和4,4'-二苯基异氰酸酯（4,4'-MDI）购自中国上海的Aladdin有限公司。CS购自中国大连的Meilun生物技术有限公司。阴离子脂肪族聚酯聚氨酯分散液（Impranil? DLN）由德国勒沃库森的Covestro AG提供。PU泡沫（基于甲苯二异氰酸酯[TDI]）购自中国南通的Dagong Foam有限公司。PBA-PU是自行合成的

能够降解PU的微生物的分离、筛选和鉴定

为了获得具有潜在PU降解能力的微生物，使用Impranil? DLN作为初次筛选的底物。通过分离47个新采集的海洋样本和评估我们实验室收藏的305个海洋来源菌株，共获得了201个形成透明区域的菌株。使用PBA-PU作为二次筛选的底物时，有73个菌株产生了可见的透明区域，包括48个细菌和25个真菌分离株（表S1）。

结论

在探索减轻海洋PU微塑料污染的策略时，本研究使用Impranil? DLN和PBA-PU筛选了海洋样本和微生物集合，鉴定出73种能够降解PU的菌株。其中，C. oxysporum SCSIO 81042在典型的海水条件（15–28°C、约3%的盐度、pH 7.5–8.0）下表现出最大的清除区和最佳生长。在模拟的海水盐度下，该菌株在4天内降解了94.5%的Impranil? DLN，并导致结构变化

CRediT作者贡献声明

施志超：撰写 – 原稿撰写、方法学、实验研究、数据分析。曾祺：方法学、实验研究、数据分析。吴婷标：方法学、实验研究、数据分析。邓世静：方法学、实验研究、数据分析。李青莲：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、数据分析。田新鹏：撰写 – 审稿与编辑、监督、数据分析。郭巧巧：数据分析。吴丽红：实验研究。范婷婷：撰写 –

未引用的参考文献

Danso等人，2019年；de Witt等人，2023年；Doyle和Doyle，1990年；Hilliard，1999年；Liu等人，2023年；Ma等人，2018年；Whang等人，2008年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFC3903300）的支持。我们感谢深圳湾实验室生物成像平台的杨凯先生和刘珊女士在电子显微镜技术方面的协助和宝贵建议。