聚合物-塑料圈-功能之间的相互作用关联了堆肥过程中微塑料的多种生物降解途径

《Environmental Microbiology》：The Polymer-Plastisphere-Function Nexus Links to Divergent Biodegradation of Microplastics During Composting

微塑料降解速率与材料类型及微生物群落组装机制密切相关，可降解材料（PLA/PBS/PBAT）因菌群多样性筛选和协同酶作用实现快速降解，而传统材料（LDPE）受限于分子量及降解路径导致过程缓慢且随机性高。功能主导型降解菌占比仅1.9%却贡献52.4%-80.6%降解效率，并成功分离32株潜在降解菌（含31种新物种）。

　　

摘要

微塑料（MP）的生物降解对于减轻塑料污染至关重要，然而将聚合物特性与塑料圈微生物群组成及催化功能联系起来的生态机制仍不清楚。通过使用嗜热堆肥作为加速模型，我们发现了一个基本的二元性：可生物降解的微塑料（BMPs：聚乳酸[PLA] > 聚丁酸琥酯[PBS] > 聚（丁酸己二酸共对苯二甲酸酯）[PBAT]）在强环境筛选作用下能够快速进行嗜热降解；而传统微塑料（CMPs：低密度聚乙烯[LDPE]）的降解过程则较为缓慢，且受到更多随机因素的影响。宏基因组学分析发现了489个降解基因，这些基因主要分布在未培养的微生物类群中，从而能够重建特定于聚合物的多酶降解途径。通过分离出32种潜在的降解菌（其中31种为新型菌株），进一步证实了这一发现。PLA/PBS的降解主要依赖于嗜热阶段的PLA解聚酶和角质酶，PBAT的降解则依赖于后期的聚酯酶和PET酶，而LDPE的降解则依赖于烷烃单加氧酶和漆酶。统计建模显示，BMP的降解过程与塑料圈的物理化学性质密切相关（超过90%的变异可归因于此），而CMP的降解过程主要受材料特性限制（例如PLA中的降解菌序列变化、PBS/PBAT中的微生物富集以及LDPE的高分子量）。功能上占主导地位的降解菌（占总微生物的1.9%）对生物降解效率的贡献率为52.4%–80.6%。这项研究阐明了堆肥过程中微塑料生物降解的核心聚合物-塑料圈-功能耦合机制，为针对性修复提供了预测框架和微生物资源。

图形摘要

可生物降解的微塑料通过多样化的降解微生物群落的富集及其表面的多酶协同作用而快速降解。相比之下，传统微塑料的降解速度较慢，主要受材料特性的限制，其降解过程由随机性的微生物组装主导。核心降解菌（占比1.9%）对降解效率起着关键作用，且已分离出许多新型菌株。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

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