从垃圾填埋场渗滤液中分离出的Arthrobacter sp. PE01对聚乙烯的生物降解作用及其潜在的降解机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Biodegradation of Polyethylene by Arthrobacter sp. PE01 Isolated from Landfill Leachate and Potential Degradation Mechanisms

　　

作者：Huishan Qu、Fei Liu、Mingdong Yao、Jie Liu、Mingzhu Ding、Yingjin Yuan

中国天津大学合成生物学与生物制造学院合成生物学国家重点实验室，天津 300072

摘要

聚乙烯（PE）对全球环境造成了持续的污染威胁。在本研究中，从垃圾填埋场渗滤液中分离出一种名为Arthrobacter sp. PE01的细菌菌株，发现该菌株能够降解低密度聚乙烯（LDPE）。在49天的培养过程中，LDPE的重量减少了3.23%。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等多种技术手段证实了表面侵蚀和氧化现象。定量分析进一步显示，经过30天的处理后，未清洗薄膜的接触角（WCA）从102.66°降至57.73°；能量分散X射线光谱（EDX）显示表面碳含量从96.92%降至69.03%，而氧含量（升至19.16%）和氮含量（升至11.81%）。气相色谱-质谱（GC-MS）分析鉴定出n-十六烷和n-二十烷为降解中间产物，该菌株在7天内分别将这两种烷烃降解了46.35%和42.28%。研究表明，生物膜的形成是改变表面疏水性并促进后续酶促降解的关键初始步骤。全基因组测序揭示了这一过程可能涉及四个阶段：群体感应介导的生物膜形成、多酶降解、β-氧化吸收以及通过TCA循环的矿化。这些发现有助于深入理解聚合物与微生物之间的相互作用，并可能为基于生物膜的塑料废物管理技术提供理论支持。

引言

由于塑料的耐用性和成本效益，它们被广泛应用于医疗、农业和包装领域[1]。过去70年来，全球塑料产量呈指数级增长，其中聚乙烯（PE）占总产量的约36%[2]。然而，大多数PE产品为一次性使用，其难以降解的碳-碳（C-C）骨架阻碍了自然降解，导致严重的环境累积[3]。在农业系统中，残留的PE地膜会破碎并可能影响土壤性质和微生物活性[4]。在水生系统中，塑料碎片和微塑料（<5毫米）通过摄入、缠绕和营养传递等方式威胁生态系统完整性[5]、[6]、[7]、[8]。目前的废物管理系统在应对这种污染方面仍存在局限性。在这种情况下，微生物生物降解作为缓解塑料污染的潜在补充方法受到了越来越多的关注[9]、[10]、[11]、[12]。评估其可行性的关键步骤是分离出有效的微生物降解菌，并更重要的是，深入理解其背后的生化机制，这对于优化工艺和实现规模化应用至关重要。

最近的研究表明，来自自然环境的野生菌株具有显著的PE降解潜力。在已分离出的PE降解真菌中，Penicillium属、Aspergillus属和Alternaria属受到了广泛研究[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。同样，许多PE降解细菌也被报道过。其中，Bacillus属、Pseudomonas属和Rhodococcus属因普遍存在和代谢多样性而在研究中占据主导地位[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。然而，环境中仍有许多能够降解PE的微生物尚未被发现。其中，Arthrobacter属是一个具有前景但研究不足的候选菌属。Arthrobacter是一种革兰氏阳性菌属，广泛分布于土壤、水体和极端环境中，由于其环境适应性和代谢多样性而具有显著的生物修复潜力。该属的菌株已被证明能够降解多种难降解污染物，包括原油、多环芳烃[30]和抗生素[31]。鉴于PE和这些难降解烃类都具有抵抗微生物攻击的疏水性骨架，Arthrobacter在降解这些化合物方面的代谢多样性表明，该属可能拥有保守的酶系统（如氧化还原酶、水解酶）或适应性策略（如生物膜形成），这些可以用于塑料的降解。然而，目前关于Arthrobacter降解PE的研究仍不充分。有研究表明，Arthrobacter属与Streptomyces属的联合使用可增强生物膜形成和PE降解[32]，但系统性的机制研究，特别是生物膜介导的降解级联反应的遗传基础仍缺乏。

从垃圾填埋场渗滤液中分离Arthrobacter菌株是一个有前景的方法。这种营养丰富且复杂的环境对微生物群落施加了长期的选择压力[33]、[34]。对垃圾填埋场渗滤液的宏基因组分析发现了大量与PE、PET和PS生物降解相关的关键酶基因[35]。此外，已有几种PE降解细菌从渗滤液中成功分离出来[36]。这些发现共同强调了垃圾填埋场环境作为塑料降解微生物库的潜力。

除了分离降解菌外，理解PE生物降解的潜在机制同样重要。PE的生物降解过程分为四个连续阶段：定殖、降解、吸收和矿化[13]、[37]。现在认识到，对疏水性PE表面的初始定殖是一个关键且活跃的步骤。这一过程通常由生物膜形成介导。微生物分泌胞外聚合物物质（EPS）以牢固附着并改变局部微环境[38]。然而，目前关于生物膜的研究主要集中在表型特征上[39]、[40]，而生物膜形成对后续酶促级联反应的遗传调控和功能贡献仍知之甚少。成功定殖后，降解过程严重依赖于催化聚合物链初始分解的胞外酶的分泌。来自组学研究的证据表明，例如Rhodococcus sp. A34的时间序列蛋白质组学研究揭示了关键的降解酶，如过氧化氢酶KatG和多铜氧化酶[29]。同时，对一个PE降解海洋群落的转录组学分析发现了多种塑料降解酶的相关基因[13]。尽管取得了这些进展，但驱动这一过程的酶机制，特别是协调四个连续阶段的酶的功能作用，仍需进一步阐明。

在这里，我们报道了一种从垃圾填埋场渗滤液中分离出的新型PE降解Arthrobacter sp. PE01。通过结合基因组分析与物理化学表征，我们试图研究从定殖到矿化的生物膜介导的降解级联反应，这可能有助于解决上述问题。这些发现可能为未来的基于生物膜的塑料废物处理策略提供参考。

章节片段

培养基和LDPE材料的准备

本研究使用了Luria-Bertani（LB）培养基、Reasoner’s 2A（R2A）培养基、无机盐（ISM）培养基以及含有酵母提取物和蛋白胨的无机盐（ISMYP）培养基（具体制备方法见表S1）。LDPE薄膜（厚度50微米；Good Fellow，英国）经过紫外线照射（313纳米，0.1瓦/平方米）处理96小时，处理距离约为8厘米，以增加表面粗糙度。然后将薄膜切成1.0 × 1.0厘米的小块，在75%乙醇中消毒20分钟，风干后...

从位于中国甘肃省兰州新区（坐标约103.80°E, 36.41°N）的垃圾填埋场渗滤液中分离出三种具有潜在LDPE降解能力的细菌菌株（分别命名为PE01、PE02和PE03）。为了验证这些菌株利用LDPE的能力，将它们在添加了LDPE薄膜作为唯一碳源的ISM培养基中培养。实验组表现出初始增长后趋于平稳，随后再次上升（见图1a）。这种模式可以解释...

本研究通过全基因组测序探索了生物降解机制，揭示了一个涉及关键降解酶和中心代谢的四个阶段级联反应的假想机制。该机制得到了基因组预测、化学分析和物理表征的强有力支持。

值得注意的是，生物膜的形成被确定为降解过程中的一个关键初始步骤。这一点通过CLSM直接得到证实...

本研究分离并表征了一种能够降解PE的细菌菌株Arthrobacter sp. PE01。在49天的培养过程中，该菌株使LDPE薄膜的重量减少了3.23%。多技术分析表明，在显著的质量损失之前，表面发生了氧化和功能化。研究表明，生物膜的形成通过改变表面性质并促进后续酶促活性，在启动降解过程中起着关键作用。基因组分析提供了重要见解...

[68], [69]

Jie Liu：资源获取、方法学设计。Mingdong Yao：指导、监督。Fei Liu：可视化处理、验证、方法学设计、实验研究、概念构建。Huishan Qu：初稿撰写、可视化处理、验证、方法学设计、实验研究、数据分析。Yingjin Yuan：指导、审稿与编辑、项目管理、资金申请。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFA0919000）和中国国家自然科学基金（22578322）的支持。