知识讲堂 | 塑料降解细菌的发现及其环境治理潜力
来源：灰藻科技 浏览量：246 发布时间：2024-03-28 22:21:04
塑料降解细菌的发现及其环境治理潜力
引言：
Ideonella sakaiensis 是一种新型细菌物种，以其独特的能力而著称，能够分解和代谢用于制造包装材料的常见塑料——聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。2016年，日本堺市的一组科研人员在一家塑料瓶回收中心污染沉积物的微生物群落研究中发现了Ideonella sakaiensis，这种细菌因其能够降解塑料而声名鹊起，特别是针对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料。尽管目前对于这种细菌的生物化学性质、遗传基因以及其他特征了解尚不充分，但这一发现极大地激发了人们对于塑料降解机理的研究兴趣，并为进一步开发更为环保的塑料废弃物处理方法带来了新的可能。
图1、Ideonella sakaiensis (“吃塑料的细菌”)（来源：https://microbenotes.com/ideonella-sakaiensis-plastic-eating-bacteria/）
Ideonella sakaiensis的分类：
Ideonella sakaiensis 在生物学分类体系中的位置如下：
● 域：细菌域（Bacteria）
● 门：变形菌门（Proteobacteria）
● 纲：γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）
● 目：假单胞菌目（Pseudomonadales）
● 科：鞘氨醇单胞菌科（Comamonadaceae）
● 属：Ideonella 属
● 种：Ideonella sakaiensis 种
Ideonella sakaiensis的发现：
● 早在1995年，Ideonella属就已经由Malmqvist A, Welander T, Moore E, Ternstrom A, Molin G和Stenstrom I等人提出并建立。而在2016年，Ideonella sakaiensis这一特殊物种是在日本堺市的一个塑料瓶回收设施中被发现的。
● 这一发现是由京都工艺纤维大学的Kohei Oda教授和庆应义塾大学的Kenji Miyamoto教授带领的研究团队完成的。他们在研究PET污染沉积物中的微生物群落时注意到，在大约3/4的PET样本中，PET被降解成了CO2。进一步研究揭示了一种新型细菌的存在，即现在所称的Ideonella sakaiensis，它可以分泌PET水解酶（PETase）来首先降解并吸收PET。这样一来，经过降解的PET可以作为其他微生物的碳源使用。
Ideonella sakaiensis的栖息地：
Ideonella sakaiensis 最初发现在富含PET塑料废物的土壤中，表明其主要栖息地为受塑料污染影响的土壤环境，特别是在富含氧气且湿润的土壤以及污水污泥中能找到此类细菌的生存踪迹。
Ideonella sakaiensis的形态：
Ideonella sakaiensis 是一种革兰氏阴性、杆状、具运动性、不产芽孢、不产生色素、单极鞭毛的细菌。它们通常在显微镜下呈现出杆菌形态，长度约为1.2至1.5微米，宽度约为0.6至0.8微米。
Ideonella sakaiensis的生长特性：
● Ideonella sakaiensis 是一种不苛求营养条件的细菌，能够在诸如营养琼脂培养基和胰蛋白胨大豆琼脂培养基等通用培养基中生长。
● 它们属于好氧性和中温性细菌，通常在15至42°C的温度范围内生长，最佳生长温度为35±2°C（约30至37°C），pH值适应范围为5.5至9.0，最优pH值范围为7至7.5。
● 在NBRC编号802琼脂培养基中，I. sakaiensis 形成小而圆、隆起的菌落，直径在0.5至1毫米之间，边缘完整。这些菌落无色素，外观呈乳白色半透明状。
● 类似的菌落也会出现在营养培养基和胰蛋白胨大豆肉汤琼脂培养基中。此外，该细菌也能在胰蛋白胨大豆肉汤中成功培养。
Ideonella sakaiensis 的生化特性：
● 常规生化测试结果：
o 过氧化氢酶试验：阳性（+）
o 氧化酶试验：阳性（+）
o 革兰氏染色：革兰氏阴性
o 3.5% 氯化钠耐受试验：阴性（-），即不能在高盐环境中生长
o 吲哚试验：阴性（-）
o 尿素酶试验：部分阳性（+），少数菌株可能为阴性（-）
o 硝酸盐还原试验：阴性（-）
o 鞣质水解试验：阴性（-）
o 明胶水解试验：阳性（+）
o 运动性：可运动
o 色素产生：阴性（-）
● 碳水化合物/脂肪/蛋白质/氨基酸利用测试：
o 对多种碳水化合物如葡萄糖发酵、甘露醇发酵、甘露糖同化、阿拉伯糖同化、N-乙酰葡萄糖胺同化等均为阴性（-），但麦芽糖同化和葡萄糖酸同化为阳性（+）；
o 对各种脂肪酸如癸酸同化、己二酸同化为阴性（-），但部分己二酸同化为阳性（+）；
o 对几种有机酸如苹果酸同化、柠檬酸同化、苯乙酸同化均为阴性（-）；
o 精氨酸水解试验：阴性（-）。
● 酶学水解测试：
o 碱性磷酸酶：阳性（+）
o 精氨酸双水解酶：阴性（-）
o α-和β-半乳糖苷酶：阴性（-）
o β-葡萄糖苷酶：阴性（-）
o α-葡萄糖苷酶：阳性（+）
o 明胶酶：阳性（+）
Ideonella sakaiensis的鉴定：
● Ideonella sakaiensis 细菌尚未有一个完善的设计用于其生化鉴定的关键标准。该细菌的表型鉴定需结合上述提及的生化特性、显微镜观察以及电子显微镜报告显示的单根鞭毛特征共同进行。
● 然而，唯一可靠的确切鉴定方法是采用聚合酶链反应（PCR）进行分子鉴定。
Ideonella sakaiensis的应用：
Ideonella sakaiensis作为一种具有强大潜力的应用细菌，尤其在解决塑料污染问题上发挥着重要作用。鉴于塑料不易降解且广泛存在于环境中，对生态系统构成了巨大威胁，传统的塑料废物管理和控制策略均难以彻底有效。在此背景下，Ideonella sakaiensis这类能够“吃掉”塑料的细菌为塑料废物管理提供了一个有力的解决方案。其主要应用潜力可以概括如下：
● 塑料升级再造 Ideonella sakaiensis能够通过酶催化作用将塑料（尤其是PET）降解为不同化学形式的物质，例如单(2-羟乙基)对苯二甲酸酯（MHET）、乙二醇等。这些产物不仅可被该细菌自身或其它细菌继续利用，还可能通过化学改性转化为多种有用的终端产品。
● 生物修复 生物修复是指利用生物手段处理环境污染物。虽然已知能够降解塑料的微生物种类稀少，但由于它们降解速度较慢，实际效果受到质疑。Ideonella sakaiensis的发现为此开辟了新的可能性，有望提升塑料生物修复过程的效率，助力环境治理。
● 工业应用 Ideonella sakaiensis产生的PETase和MHETase酶在工业上有广阔的应用前景，可用于生产塑料制品过程中，促进塑料循环利用，同时也可在固体废物处理和污水处理行业中发挥作用，实现塑料废物的有效管理和资源化利用。
Ideonella sakaiensis塑料降解的机理：
● Ideonella sakaiensis 能够降解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）类型的塑料，这种塑料广泛应用于塑料瓶和包装材料的制作。该细菌通过鞭毛附着在PET塑料表面，随后在其上分泌PET降解酶——PET水解酶（PETase）。PETase能够将PET大分子分解为单(2-羟乙基)对苯二甲酸（MHET）及少量对苯二甲酸（TPA）、双(2-羟乙基)对苯二甲酸（BHET）和乙二醇（EG）等次要产物。其中，BHET作为中间产物会被进一步转化为MHET。
图2、Ideonella sakaiensis的作用方式（来源：https://microbenotes.com/ideonella-sakaiensis-plastic-eating-bacteria/）
● 接着，Ideonella sakaiensis 分泌的另一种酶——MHET降解酶（也称为MHETase）将上述形成的MHET分解为两个单体，即对苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG）。
● 所产生的乙二醇被Ideonella sakaiensis和其他细菌摄取，并迅速作为碳源进行代谢，主要途径是先转化为乙酰辅酶A，然后在三羧酸循环（TCA循环）中氧化为二氧化碳，同时释放出用于氧化磷酸化过程合成能量分子ATP所需的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH或NADPH）。
● 对苯二甲酸（TPA）相对更难降解，但一旦进入Ideonella sakaiensis细胞内，1,2-二羟基-3,5-环己二烯-1,4-二羧酸脱氢酶和对苯二甲酸-1,2-dioxygenase这两种酶会催化TPA分解为邻苯二酚。邻苯二酚随后经由一系列酶催化作用进一步融入到代谢途径中，如进入TCA循环产生ATP和CO2。
总结：
Ideonella sakaiensis在塑料废物管理和生物修复领域展现出巨大的应用潜力，通过其独特的降解机制，有望成为解决塑料污染问题的有效工具，并在工业上推动塑料产品的可持续生产和废物处理技术的进步。在PET降解过程中，该细菌首先通过PETase分解PET，并通过后续一系列酶促反应，将PET逐步转化成可被生物利用和代谢的简单化合物，从而实现塑料的生物降解和循环利用。
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更新日期：2024-03-28