3月7日，國際學(xué)術(shù)期刊《Journal of Hazardous Materials》報道了中國科學(xué)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。 該所實(shí)驗海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)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。
“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。”孫超岷介紹，全球每年有超過800萬噸的塑料垃圾流進(jìn)海洋變成微塑料進(jìn)入食物鏈，逐漸演變成一個全球性生態(tài)難題。要實(shí)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(jìn)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。”孫超岷表示，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。
記者了解到，孫超岷團(tuán)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(qiáng)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(jìn)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(shí)了該真菌能有效降解PE，解聚效率高達(dá)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(dá)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(dá)技術(shù)獲得了多個在24小時內(nèi)有降解PE效果的酶種。
雖然該真菌能夠降解PE塑料，但需要較長時間(長達(dá)數(shù)月)。為了能提高其降解效率，研究團(tuán)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(dá)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(shí)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(hù)。孫超岷表示，下一步將重點(diǎn)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(shí)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(jì)發(fā)展提供經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可行的技術(shù)支撐。(科技日報記者 王健高 通訊員 王敏)
標(biāo)簽： 研究成果 降解塑料 海洋真菌和酶 首次發(fā)現(xiàn)
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