嗜热细菌对塑料的降解

塑料具有重量轻、生产成本低、易于制造、具有生物惰性、耐环境影响和抗微生物作用等特点，使得塑料具有广泛的商业化前景。目前，塑料生产商遍布世界各地，最大的贡献者是亚洲、欧洲和北美。

图1. 不同塑料的需求分布和使用

然而，直到今天只有不到10%的塑料被回收利用，24%的塑料被焚烧用于能源生产，剩下的60%没有回收。世界上到处都是废弃的塑料，这导致了社会对土地污染影响的敏感程度的提高。传统的机械回收及化学回收塑料处理方法会释放有害物质且价格昂贵。生物降解似乎是一种廉价而高效、不会产生二次污染物且在降解塑料方面提供特异性的废物处理最有效的过程。

微生物降解塑料的过程：

生物劣化——微生物代谢活动会引起塑料裂缝，并通过释放的酸或生物膜形成引起的pH变化来加重物理性质或改变基质的微观结构。

长聚合物链的生物裂解——微生物产生的酶的活性导致低聚物释放。

低聚物降解为单体——低聚物进入细胞内，次级降解者将其同化为碳源，从而增加微生物生物量。

低聚物的同化和代谢产物完全氧化成H2O、CO2、N2和CH4而排出。

图2. 塑料降解概况

来自极端环境的微生物代表着未开发的微生物、酶和生物分子的储存库，可用于不同的工业应用。在受污染的热栖息地的生物处理中使用嗜热菌进行塑料降解具有潜在的优势，因为高温下聚合物的物理和光学性质发生了变化，从而提高了基质的生物利用度和溶解度。嗜热生物降解工艺的另一个优点是，由于聚合物强度降低，酶活性更高，有机化合物的扩散速度更快，培养液的粘度降低，微生物污染的风险降低。一些嗜热菌显示出很高的降解聚合物的潜力，因为它们能够在不寻常的条件下生长和产生大量的酶。表1显示了耐热塑料降解菌的实例。

表1. 一些嗜热塑料降解菌

有研究报道了在50℃时，从堆肥中分离出的两个嗜热菌与主要的聚氯乙烯（PCL）废物之间的有效协同作用。嗜热放线菌嗜热链霉菌可以实现PCL的广泛矿化，导致塑料在堆肥6d后分解35%。当添加从同一堆肥中分离出的增效剂地衣芽孢杆菌HA 1时，PCL的降解率显著增加，两株嗜热菌株同时培养产生的协同效应加速了PCL的降解，并显著增加了分解聚合物的比例。一株嗜热链霉菌热紫罗亚种能在45℃下6h内完全降解PCL。一株嗜热芽孢杆菌属BCBT21在55℃的条件下，在一个月内改变了高密度和低密度聚乙烯塑料袋的性能和外观。

在55℃条件下，嗜热双歧杆菌分泌的胞外聚酯水解酶TfH作用3周后，对低结晶聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的降解率约为50%。厌氧嗜热梭状芽孢杆菌可作为一步将产酶和水解PET结合在一起的全细胞生物催化剂。嗜热菌鲁皮无氧芽孢杆菌IR3在65℃的最低温度下使用尼龙6作为唯一的碳源和氮源。

一般说来，在恶劣条件下进化使极端酶变得更加坚硬，对蛋白质水解和变性剂(如有机溶剂和洗涤剂)具有更强的抵抗力。嗜热酶和嗜盐酶的一个吸引人的特点是减缓了酶的“老化”过程，它们能在室温下储存，商业制剂的半衰期更长。且它们的长寿命是有益的，因为它潜在地防止了塑料降解酶活性的显著丧失。

此外，高温下聚合物的物理和光学性质发生了变化，从而提高了基质的生物利用度和溶解度。一些嗜热菌通过能够在不寻常的条件下生长和产生大量的酶而显示出很高的降解聚合物的潜力。尽管进化时间相对较短，但大量的极端微生物已经通过塑料降解适应了这些环境的生长。由于它们有能力去发展不同的适应机制，因此从极端环境中深入寻找新的塑料降解菌前景辽阔。

供稿：赵静宇

审核：崔志勇

编辑：张彤 徐娅 李晓萌

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