海洋学院近海环境安全课题组在海洋环境中微塑料的生物降解领域取得新进展

近日，天津大学海洋学院近海环境安全课题组在海洋环境中微塑料的生物降解领域取得了新进展，在国际环境领域TOP期刊《Environmental Pollution》（中科院二区，IF2022=8.9）连发两篇论文。

微塑料作为一种新型污染物，对海洋生态系统和人类健康产生巨大风险。一旦微塑料进入海洋环境，就会迅速被真菌、细菌和藻类等各种微生物定植，形成‘plastisphere’。迄今为止，尚不清楚‘plastisphere’中是否有微生物可以利用塑料本身的高分子量碳基质。本研究从海洋环境中原位培养长达20个月的‘plastisphere’中筛选并分离出一种新的海洋细菌，Exiguobacterium marinuma-1，其能有效地定殖和降解无添加剂的聚丙烯（PP）薄膜。本研究通过测量PP的失重速率、观察生物膜的形成、PP表面粗糙度和凹坑的产生以及新产生的化学官能团，验证了无添加剂PP膜的降解。此外，在基因组尺度上研究了无添加剂PP膜的生物降解机制和代谢机制，包括生物表面活性剂的产生、鞭毛生物合成和细胞趋化必需的关键基因、生物膜早期形成所需的高度协调机制以及无添加剂PP膜降解的关键酶。本研究的发现可能提供了一种生物技术方法来促进‘plastisphere’中存在的微生物对海洋塑料废物的转化。

图1海洋细菌代谢PP的研究方法

邻苯二甲酸酯类(PAEs)增塑剂是有毒的内分泌干扰物，在制造过程中混入塑料中，一旦释放到周围环境中就会被过滤掉。先前对‘plastisphere’的宏基因组研究表明，其中可能蕴藏着降解PAEs增塑剂的微生物。本研究通过对原位放置长达20个月的‘plastisphere’进行筛选，成功分离出一种新型海洋细菌Microbacterium esteraromaticumDEHP-1，该细菌可以降解和矿化10-200 mg/L的邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)。根据菌株DEHP-1的全基因组挖掘结果，发现菌株DEHP-1可能通过酯酶连续去除酯侧链来代谢DBP，而DEHP的降解可能通过单加氧酶直接作用于DEHP分子的脂肪酸侧链最后进入三羧酸(TCA)循环。本研究首次提出菌株DEHP-1暴露于PAEs的胞内代谢行为。这项研究揭示了海洋‘plastisphere’中细菌有效降解PAEs的代谢能力和策略，并强调了海洋微生物在减轻塑料毒性方面的重要性。

图2海洋细菌代谢PAEs的机制研究

2020级博士生孙越龄为以上研究成果的第一作者，牛志广教授、马永正讲师为指导教师。

参考文献：

Sun, Y., Zhang, Y., Hao, X., Zhang, X., Ma, Y., Niu, Z., 2023. A novel marine bacteriumExiguobacterium marinuma-1 isolated from in situ plastisphere for degradation of additive-free polypropylene. Environ. Pollut. 336, 122390. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.122390

Sun, Y., Zhang, Y., Ma, Y., Xin, R., Li, X., Niu, Z., 2024. Exploring the potential of a new marine bacterium associated with plastisphere to metabolize dibutyl phthalate and bis(2-ethylhexyl) phthalate by enrichment cultures combined with multi-omics analysis. Environ. Pollut. 342, 123146. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.123146