海洋所发现能有效降解聚乙烯等多种塑料的海洋真菌

文章来源:未知 发布时间:2022/03/14

    3月7日,国际学术期刊Journal of Hazardous Materials 刊发了题为“A marine fungus Alternaria alternata FB1 efficiently degrades polyethylene”的文章,报道了中科院海洋所孙超岷课题组发现能有效降解聚乙烯(PE)塑料的海洋真菌和酶的研究成果。该真菌不仅能有效降解PE,还对聚丙烯(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显的降解效果,是一株塑料降解谱广泛的真菌,为发展混合塑料降解生物制品提供了绝佳候选材料,并有望突破多种难降解塑料(如PE、PS、PUR等)的降解瓶颈。    

  塑料是一类高分子聚合物的统称,2018年全球塑料产量接近3.6亿吨。据统计,PE, PP、PS、PVC、PUR及聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等六种塑料制品是目前塑料垃圾的主要来源。全球每年有超过800万吨的塑料垃圾流进海洋变成微塑料进入食物链,逐渐演变成一个全球性生态难题。要实现塑料垃圾解聚再利用的大规模工业应用,必须发展温和高效、低成本解聚及再利用的技术体系,如微生物/酶介导的塑料解聚。迄今为止,只有PET塑料的微生物降解取得了不错的进展,但距离产业化应用仍然有一段距离。对于其它几种塑料尤其是用量最大、污染最重、最难降解的PE塑料,几乎鲜有能有效降解的微生物菌株和酶种被发现,更不用说产业化应用。因此,开展微生物介导的各种塑料降解体系的研究,加快对塑料污染物治理技术的研发,具有十分重要的理论意义和应用价值。微生物经过与塑料及类似物的长期共存,逐渐演化出一些类群能有效降解塑料,是发展降解塑料垃圾生物制品的良好候选材料。 

  孙超岷团队自2016年开始从青岛近海采集了上千份塑料垃圾,经过大量筛选发现一个塑料垃圾上附着了一个海洋真菌Alternaria alternata FB1,该真菌在PE塑料表面具有很强的定殖能力。经过1个月左右的培养,该真菌能够在PE表面产生明显的降解孔洞。延长真菌处理PE的时间至4个月,该真菌能够使得塑料发生皱缩、变色,降解塑料碎片从原始塑料上剥离。研究人员进而结合红外光谱、凝胶渗透色谱、X射线衍射、高效液相色谱及质谱等手段多方位证实了该真菌能有效降解PE,解聚效率高达95%。结合气相色谱和质谱技术发现该真菌降解PE塑料的产物主要是一种四碳化合物(二甘醇胺,)占比达到93%。利用转录组技术解析了介导该真菌降解PE的潜在酶系,最终结合体外表达技术获得了多个在24小时内有降解PE效果的酶种。

 

海洋真菌Alternaria alternata FB1对聚乙烯塑料的降解效果

海洋真菌Alternaria alternata FB1处理聚乙烯塑料4个月后的形态

多种手段检测海洋真菌Alternaria alternata FB1降解聚乙烯塑料的效果

气相色谱-质谱联用鉴定海洋真菌Alternaria alternata FB1降解聚乙烯塑料的产物

海洋真菌Alternaria alternata FB1降解聚乙烯塑料的酶系确定及功能验证

  虽然该真菌能够降解PE塑料,但需要较长时间(长达数月)。为了能提高其降解效率,研究团队近期改良了真菌的培养条件,大大提升了对PE塑料的降解效果:一个月即可以产生原来数月才能达到的降解效果。而且,培养条件改良后的真菌能够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内的多种塑料,尤其是对于聚酯型PUR和生物可降解塑料在两周内即可降解为碎片。值得指出的是,经过毒理实验确证该真菌对环境无害,而且在降解塑料后其培养物能够产生有效抑制多种病原菌(包括临床常见耐药菌)的活性物质。上述结果均表明该真菌有很好的潜力用于发展环境友好型塑料降解制品,其下游生物基材料还可以用于生产抗生素等生物制品。目前,该研究成果已经申请国家发明专利保护。下一步将重点解析介导多种塑料降解的关键酶种,结合合成生物学等技术提升相应酶种的产量和降解能力,实现对部分塑料(如聚酯型PUR)的工业级应用,建立“从塑料降解到高值化生物转化”的一体化生物回收模式,为我国塑料循环经济发展提供经济、环保、可行的技术支撑。 

条件改良后海洋真菌Alternaria alternata FB1对多种塑料均有明显降解效果(1个月)

条件改良后海洋真菌Alternaria alternata FB1对一些塑料短期内能产生显著降解效果

处理塑料后的海洋真菌Alternaria alternata FB1培养物能产生抗菌活性物质

  实验海洋生物学重点实验室博士研究生高蓉蓉为第一作者,孙超岷研究员为通讯作者。研究得到了中科院战略先导专项、大洋协会“深海生物资源计划”及中科院海洋大科学中心前沿部署等项目联合资助。

  相关论文: 

  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.

  论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389422004058