發(fā)現微生物可以在低溫下消化塑料

研究人員在阿爾卑斯山的高海拔地區和極地地區發(fā)現了微生物菌株，可以在低至15°C（59°F）的溫度下分解可生物降解的塑料。這些微生物存在于高山和北極土壤的塑料圈中，可以為回收塑料提供更具成本效益和環(huán)保的方法。研究小組研究了19種細菌菌株和15種真菌，發(fā)現其中相當一部分可以降解某些類(lèi)型的塑料。最成功的菌株是兩種未表征的真菌物種。下一步將是確定能夠降解塑料的特定酶，并優(yōu)化其生產(chǎn)和穩定性。

尋找、培養和生物工程能夠消化塑料的生物不僅有助于消除污染，而且現在也是一門(mén)大生意。已經(jīng)發(fā)現了幾種可以做到這一點(diǎn)的微生物，但是當它們使這成為可能的酶以工業(yè)規模應用時(shí)，它們通常只能在30°C（86°F）以上的溫度下工作。所需的加熱意味著(zhù)工業(yè)應用迄今為止仍然昂貴，并且不是碳中和的。但是這個(gè)問(wèn)題有一個(gè)可能的解決方案：找到專(zhuān)門(mén)的冷適應微生物，其酶在較低的溫度下工作。

瑞士聯(lián)邦研究所WSL的科學(xué)家知道在哪里尋找這種微生物：在他們國家的阿爾卑斯山的高海拔地區，或在極地地區。他們的研究結果發(fā)表在《微生物學(xué)前沿》雜志上。

“在這里，我們表明，從高山和北極土壤的'塑料層'獲得的新型微生物分類(lèi)群能夠在15°C下分解可生物降解的塑料，”第一作者Joel Rüthi博士說(shuō)，他目前是WSL的客座科學(xué)家�！斑@些生物可以幫助降低塑料酶回收過(guò)程的成本和環(huán)境負擔。

Rüthi及其同事對格陵蘭島，斯瓦爾巴群島和瑞士的自由放置或故意埋藏的塑料（在地下保存一年）上生長(cháng)的19種細菌菌株和15種真菌進(jìn)行了采樣。斯瓦爾巴群島的大部分塑料垃圾都是在2018年瑞士北極項目期間收集的，學(xué)生們在那里進(jìn)行了實(shí)地考察，親眼目睹了氣候變化的影響。來(lái)自瑞士的土壤是在格勞賓登州的Muot da Barba Peider（2，979米）和Val Lavirun山谷的山頂上收集的。

科學(xué)家們讓分離的微生物在黑暗和15°C的實(shí)驗室中作為單株培養物生長(cháng)，并使用分子技術(shù)來(lái)鑒定它們。結果表明：放線(xiàn)菌門(mén)和變形菌門(mén)細菌屬13屬，子囊菌門(mén)和黏膜菌門(mén)真菌屬10屬。

令人驚訝的結果

然后，他們使用一套檢測方法來(lái)篩選每種菌株消化不可生物降解聚乙烯（PE）和可生物降解聚酯聚氨酯（PUR）的無(wú)菌樣品以及兩種市售的聚己二酸丁二醇酯（PBAT）和聚乳酸（PLA）的可生物降解混合物的能力。

即使在這些塑料上孵育126天后，沒(méi)有一種菌株能夠消化PE。但有19株(56%)菌株，包括11株真菌和8株細菌，能夠在15℃下消化PUR，而14株真菌和3株細菌能夠消化PBAT和PLA的塑料混合物。核磁共振(NMR)和基于熒光的分析證實(shí)，這些菌株能夠將PBAT和PLA聚合物切成更小的分子。

“令我們非常驚訝的是，我們發(fā)現很大一部分測試菌株能夠降解至少一種測試塑料，”Rüthi說(shuō)。

表現最好的是Neodevriesia和Lachnellula屬中兩種未表征的真菌物種：它們能夠消化除PE以外的所有測試塑料。結果還表明，對于大多數菌株，消化塑料的能力取決于培養基，每種菌株對測試的四種培養基的反應都不同。

消化植物聚合物能力的副作用

消化塑料的能力是如何進(jìn)化的？由于塑料自1950年代才出現，因此降解塑料的能力幾乎肯定不是自然選擇最初針對的特征。

“微生物已被證明可以產(chǎn)生多種聚合物降解酶，參與植物細胞壁的分解。特別是，植物致病真菌經(jīng)常被報告為生物降解聚酯，因為它們能夠產(chǎn)生針對塑料聚合物的角質(zhì)酶，因為它們與植物聚合物角質(zhì)相似，“最后作者Beat Frey博士解釋說(shuō)，他是WSL的資深科學(xué)家和小組負責人。

挑戰依然存在

由于Rüthi等人只在15°C下進(jìn)行了消化測試，他們還不知道成功菌株的酶工作的最佳溫度。

“但我們知道，大多數測試菌株可以在4°C至20°C之間生長(cháng)良好，最佳溫度約為15°C，”弗雷說(shuō)。

“下一個(gè)重大挑戰將是識別微生物菌株產(chǎn)生的塑料降解酶，并優(yōu)化獲得大量蛋白質(zhì)的過(guò)程。此外，可能需要進(jìn)一步修改酶以?xún)?yōu)化蛋白質(zhì)穩定性等特性。