3月7日，國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Hazardous Materials 刊發(fā)了題為“A marine fungus Alternaria alternata FB1 efficiently degrades polyethylene”的文章，報道了中科院海洋所孫超岷課題組首次發(fā)現(xiàn)能有效降解聚乙烯（PE）塑料的海洋真菌和酶的研究成果。該真菌不僅能有效降解PE，還對聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PUR）、聚酰胺（PA）和生物可降解塑料有明顯的降解效果，是一株塑料降解譜廣泛的真菌，為發(fā)展混合塑料降解生物制品提供了絕佳候選材料，并有望突破多種難降解塑料（如PE、PS、PUR等）的降解瓶頸。
塑料是一類高分子聚合物的統(tǒng)稱，2018年全球塑料產(chǎn)量接近3.6億噸。據(jù)統(tǒng)計，PE， PP、PS、PVC、PUR及聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等六種塑料制品是目前塑料垃圾的主要來源。全球每年有超過800萬噸的塑料垃圾流進海洋變成微塑料進入食物鏈，逐漸演變成一個全球性生態(tài)難題。要實現(xiàn)塑料垃圾解聚再利用的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，必須發(fā)展溫和高效、低成本解聚及再利用的技術(shù)體系，如微生物/酶介導(dǎo)的塑料解聚。迄今為止，只有PET塑料的微生物降解取得了不錯的進展，但距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍然有一段距離。對于其它幾種塑料尤其是用量最大、污染最重、最難降解的PE塑料，幾乎鮮有能有效降解的微生物菌株和酶種被發(fā)現(xiàn)，更不用說產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。因此，開展微生物介導(dǎo)的各種塑料降解體系的研究，加快對塑料污染物治理技術(shù)的研發(fā)，具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價值。微生物經(jīng)過與塑料及類似物的長期共存，逐漸演化出一些類群能有效降解塑料，是發(fā)展降解塑料垃圾生物制品的良好候選材料。
孫超岷團隊自2016年開始從青島近海采集了上千份塑料垃圾，經(jīng)過大量篩選發(fā)現(xiàn)一個塑料垃圾上附著了一個海洋真菌Alternaria alternata FB1，該真菌在PE塑料表面具有很強的定殖能力。經(jīng)過1個月左右的培養(yǎng)，該真菌能夠在PE表面產(chǎn)生明顯的降解孔洞。延長真菌處理PE的時間至4個月，該真菌能夠使得塑料發(fā)生皺縮、變色，降解塑料碎片從原始塑料上剝離。研究人員進而結(jié)合紅外光譜、凝膠滲透色譜、X射線衍射、高效液相色譜及質(zhì)譜等手段多方位證實了該真菌能有效降解PE，解聚效率高達95%。結(jié)合氣相色譜和質(zhì)譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)該真菌降解PE塑料的產(chǎn)物主要是一種四碳化合物（二甘醇胺，）占比達到93%。利用轉(zhuǎn)錄組技術(shù)解析了介導(dǎo)該真菌降解PE的潛在酶系，最終結(jié)合體外表達技術(shù)獲得了多個在24小時內(nèi)有降解PE效果的酶種。
海洋真菌Alternaria alternata FB1對聚乙烯塑料的降解效果
海洋真菌Alternaria alternata FB1處理聚乙烯塑料4個月后的形態(tài)
多種手段檢測海洋真菌Alternaria alternata FB1降解聚乙烯塑料的效果
氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用鑒定海洋真菌Alternaria alternata FB1降解聚乙烯塑料的產(chǎn)物
海洋真菌Alternaria alternata FB1降解聚乙烯塑料的酶系確定及功能驗證
雖然該真菌能夠降解PE塑料，但需要較長時間（長達數(shù)月）。為了能提高其降解效率，研究團隊近期改良了真菌的培養(yǎng)條件，大大提升了對PE塑料的降解效果：一個月即可以產(chǎn)生原來數(shù)月才能達到的降解效果。而且，培養(yǎng)條件改良后的真菌能夠有效降解包括聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PUR）、聚酰胺（PA）和生物可降解塑料在內(nèi)的多種塑料，尤其是對于聚酯型PUR和生物可降解塑料在兩周內(nèi)即可降解為碎片。值得指出的是，經(jīng)過毒理實驗確證該真菌對環(huán)境無害，而且在降解塑料后其培養(yǎng)物能夠產(chǎn)生有效抑制多種病原菌（包括臨床常見耐藥菌）的活性物質(zhì)。上述結(jié)果均表明該真菌有很好的潛力用于發(fā)展環(huán)境友好型塑料降解制品，其下游生物基材料還可以用于生產(chǎn)抗生素等生物制品。目前，該研究成果已經(jīng)申請國家發(fā)明專利保護。下一步將重點解析介導(dǎo)多種塑料降解的關(guān)鍵酶種，結(jié)合合成生物學(xué)等技術(shù)提升相應(yīng)酶種的產(chǎn)量和降解能力，實現(xiàn)對部分塑料（如聚酯型PUR）的工業(yè)級應(yīng)用，建立“從塑料降解到高值化生物轉(zhuǎn)化”的一體化生物回收模式，為我國塑料循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展提供經(jīng)濟、環(huán)保、可行的技術(shù)支撐。
條件改良后海洋真菌Alternaria alternata FB1對多種塑料均有明顯降解效果(1個月)
條件改良后海洋真菌Alternaria alternata FB1對一些塑料短期內(nèi)能產(chǎn)生顯著降解效果
處理塑料后的海洋真菌Alternaria alternata FB1培養(yǎng)物能產(chǎn)生抗菌活性物質(zhì)
實驗海洋生物學(xué)重點實驗室博士研究生高蓉蓉為第一作者，孫超岷研究員為通訊作者。研究得到了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項、大洋協(xié)會“深海生物資源計劃”及中科院海洋大科學(xué)中心前沿部署等項目聯(lián)合資助。
相關(guān)論文：
Rongrong Gao, Rui Liu, Chaomin Sun*. A marine fungus Alternaria alternata FB1 efficiently degrades polyethylene. Journal of Hazardous Materials, 2022, 128617, Doi: 10.1016/j.jhazmat.2022.128617.
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389422004058
