《Ecotoxicology and Environmental Safety》：PET degradation by
Acinetobacter sp. W107 from plastic-polluted Tanggou River, mediated by the key esterase EstZ
编辑推荐：
为应对日益严峻的PET微塑料污染问题，研究人员从塑料污染的汤沟河环境中分离、筛选出PET降解菌株W107 (Acinetobacter sp.)，并通过克隆、表达与功能验证，明确了其编码的酯酶EstZ是PET降解的关键酶。该研究拓展了PET降解微生物与酶资源，为发展环境友好的PET生物修复技术提供了新策略。
塑料，尤其是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，因其优异的性能被广泛应用于饮料瓶、食品包装和合成纤维等领域，已成为现代生活中不可或缺的材料。然而，其极高的化学稳定性在带来便利的同时，也带来了巨大的环境挑战。据统计，2024年全球塑料产量已达到4.309亿吨，其中PET约占6.2%。这些塑料在使用和废弃过程中，会逐渐分解为尺寸小于5毫米的微塑料，广泛散布于水体和土壤生态系统中，被生物摄入并通过食物链富集，对生态系统健康构成严重威胁，也与联合国可持续发展目标（SDG 12和SDG 14）紧密相关。面对全球塑料回收率仅约9%的困境，开发环境友好、可持续的塑料污染治理技术迫在眉睫。微生物降解作为一种颇具前景的生物修复策略，近年来受到广泛关注。尽管已有多种PET降解微生物（如Ideonella sakaiensis）及相关水解酶（如PETase、Cutinase）被报道，但从复杂污染环境中筛选具有高效降解能力和广谱环境适应性的菌株，并阐明其关键酶的作用机制，仍是该领域的核心挑战。
在此背景下，一篇发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》期刊上的研究为我们带来了新的见解。研究人员从受塑料污染的汤沟河污泥和废水中，成功分离并鉴定出一株能够高效降解PET的醋酸钙不动杆菌(Acinetobacter sp.) W107，并首次揭示了其编码的关键酯酶EstZ在PET解聚中的核心作用。
为开展这项研究，研究者们运用了多种关键技术方法。首先，从受塑料污染的汤沟河采集了污泥和废水样本作为微生物分离来源。通过分级筛选策略，包括酶活（脂肪酶/酯酶）初筛、以PET为唯一碳源的无机盐培养基平板筛选，以及摇瓶降解（通过重量损失和高效液相色谱HPLC检测产物）验证，从85株分离菌中筛选出降解能力最强的W107菌株。其次，通过16S rRNA基因测序和系统发育分析对W107进行了分类学鉴定。接着，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)分析了PET经菌株处理后的化学结构变化和表面形态侵蚀。然后，基于同源序列克隆了W107中的关键酯酶基因estZ，并在大肠杆菌(Escherichia coli) BL21中进行了异源表达，构建了重组菌Rm-W107。最后，对纯化的重组酯酶Rm-EstZ进行了全面的生化表征，包括其最适温度、pH、金属离子效应及酶动力学参数测定，以评估其催化特性。
3.1. 分离和筛选PET降解细菌菌株
研究人员从汤沟河污染样本中分离出85株细菌。通过酶活初筛，发现10株菌同时具有脂肪酶和酯酶活性。进一步以PET粉末为唯一碳源进行平板培养，其中W106、W107和SG211三株菌能够持续生长。摇瓶降解实验显示，菌株W107在30天内使PET重量损失率达到11.4%，并通过HPLC检测到其主要降解产物对苯二甲酸(TPA)的释放量最高，表明其降解效率最优。
3.2. PET降解菌株W107的分类学鉴定
通过菌落形态观察、扫描电镜及16S rRNA基因序列分析，结合系统发育树构建，确定菌株W107属于醋酸钙不动杆菌属(Acinetobacter)，与Acinetobacter soli亲缘关系最近，因此被命名为Acinetobacter sp. W107。该发现首次报道了醋酸钙不动杆菌属具有PET降解能力，拓展了该属微生物的代谢功能多样性。
3.3. 醋酸钙不动杆菌(Acinetobacter sp.) W107的PET降解活性评价
在以PET颗粒为唯一碳源的培养基中，W107能够生长，表明其可利用PET。FTIR光谱分析显示，经W107处理后，PET特征吸收峰（如1710 cm-1处的羰基C=O伸缩振动）强度减弱，并在3394 cm-1处出现了新的O-H伸缩振动峰，表明酯键断裂并生成了含羟基的降解产物。SEM观察进一步证实，处理后的PET颗粒表面出现明显的侵蚀、微裂纹和粗糙化，提供了PET发生生物降解的物理形态学证据。
3.4. 从醋酸钙不动杆菌(Acinetobacter sp.) W107中克隆、鉴定及序列分析酯酶基因estZ
研究人员以Acinetobacter soli的酯酶基因estB为参考，从W107中克隆得到一个936-bp的酯酶基因，命名为estZ。其编码的312个氨基酸的蛋白质EstZ，与A. soli的EstB具有100%的氨基酸序列一致性。生物信息学分析预测EstZ具有典型的α/β-水解酶折叠(α/β-hydrolase fold)结构，这是许多PET水解酶的共同特征，暗示了其降解聚酯的潜力。
3.5. EstZ的异源表达及重组大肠杆菌(E. coli) Rm-W107的PET降解活性
将estZ基因在大肠杆菌BL21中成功表达，获得重组菌Rm-W107。降解实验表明，表达EstZ的重组菌在5天内释放的TPA量，分别是无菌对照和野生型W107菌株的6.87倍和4.47倍。这直接证明了EstZ是W107菌株降解PET的关键功能酶，其异源表达能显著增强PET的解聚效率。
3.6. 重组酯酶Rm-EstZ的纯化及生化表征
3.6.1. 温度和pH对酶活性和稳定性的影响
纯化的Rm-EstZ最适反应温度为40°C，最适pH为6.5。其在40°C以下和pH 6.5附近表现出良好的稳定性。这种中温、近中性的酶学特性与自然环境的温湿度条件兼容，有利于实际应用。
3.6.2. 金属离子对酶活性的影响
金属离子对Rm-EstZ活性有显著影响。1 mM的Fe3+和5 mM的Fe2+可显著激活酶活性（相对活性>150%），而Zn2+和Ca2+则表现出强烈的抑制作用。这为在实际应用中选择添加剂或预处理废液以去除抑制离子提供了指导。
3.6.3. 酯酶EstZ的酶动力学
以p-NPA为底物进行酶动力学分析，EstZ的米氏常数(Km)为4.917 ± 1.001 mM，最大反应速率(Vmax)为2.224 ± 0.101 μmol·min-1·mg-1，催化常数(kcat)为78.6 min-1。这些参数表明EstZ对该模型底物具有中等亲和力和转换效率。
本研究系统性地从污染环境中分离、鉴定了一株新型的PET降解菌——醋酸钙不动杆菌(Acinetobacter sp.) W107，并首次阐明其通过分泌关键酯酶EstZ来介导PET的生物降解。通过多层次的证据链（生长实验、重量损失、TPA检测、FTIR、SEM）证实了W107菌株具有实质性的PET降解能力。更为重要的是，通过基因克隆、异源表达和功能验证，研究直接将PET降解表型与EstZ酶的催化功能关联起来，证明了EstZ是降解过程的核心执行者。对EstZ的生化表征揭示了其温和、与环境兼容的催化条件（40°C, pH 6.5）以及对Fe离子的正向响应，这些特性为其在自然环境或温和工业条件下的应用提供了可能。
该研究的结论具有多重重要意义。首先，它极大地丰富了已知的PET降解微生物资源库，首次将醋酸钙不动杆菌属纳入PET降解菌的行列，拓宽了生物修复的候选菌种范围。其次，它鉴定并初步表征了一个新的PET降解相关酯酶EstZ，为发展基于酶工程的PET生物回收技术提供了新的酶学工具和改造靶点。最后，研究展示了利用异源表达体系构建“全细胞生物催化剂”的策略，能够突破野生菌株自身的代谢调控限制，显著提升PET降解效率，这为未来开发可规模化应用的PET生物处理工艺提供了可行的技术路线。总之，这项研究不仅增进了我们对微生物降解复杂人工聚合物的机制理解，也为应对全球性的塑料污染挑战，发展环境友好的循环经济解决方案贡献了新的微生物和酶资源。
