长期以来，研究人员一直在观察一种常见的环境细菌家族Comamonadacae，它们生长在城市河流和废水系统中随处可见的塑料上。 但这些Comamonas细菌究竟在做什么，一直是个谜。这一发现可能为解决塑料垃圾清理问题的生物工程解决方案铺平道路。

Comamonas 细菌生活在废水中，它们在废水中分解塑料垃圾作为食物。 图片来源：Ludmilla Aristilde/美国西北大学

现在， 西北大学的研究人员发现了一种Comamonas 细菌的细胞是如何分解塑料作为食物的。 首先，它们将塑料咀嚼成小块，称为纳米塑料。 然后，它们分泌一种特殊的酶，进一步分解塑料。 最后，研究人员发现，细菌利用塑料中的碳原子环作为食物来源。

这一发现为开发基于细菌的工程解决方案提供了新的可能性，有助于清理难以清除的塑料垃圾，因为塑料垃圾会污染饮用水并伤害野生动物。

这项研究将于本周四（10月3日）发表在《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology.）杂志上。

"我们首次系统地展示了一种废水细菌可以利用塑料材料，使其变质、碎裂、分解，并将其用作碳源，"领导这项研究的西北大学的路德米拉-阿里斯蒂尔德（Ludmilla Aristilde）说。"这种细菌竟然能完成整个过程，我们还发现了一种负责分解塑料材料的关键酶。 可以优化和利用这种酶，帮助清除环境中的塑料。"

阿里斯蒂尔德是环境过程中有机物动力学方面的专家，现任西北大学麦考密克工程学院环境工程副教授。 她还是合成生物学中心、国际纳米技术研究所和 Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所的成员。 该研究的共同第一作者是阿里斯蒂尔德实验室的前博士生丽贝卡-威尔克斯（Rebecca Wilkes）和阿里斯蒂尔德实验室的现任博士后周南清（Nanqing Zhou）。 阿里斯蒂尔德实验室的几位前研究生和本科生研究员也为这项工作做出了贡献。

这项新研究建立在阿里斯蒂尔德团队以前的研究基础之上，以前的研究揭示了Comamonas testosteri代谢植物和塑料分解产生的单质碳的机制。 在新的研究中，阿里斯蒂尔德和她的团队再次研究了C. testosteroni，它生长在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）上，这是一种常用于食品包装和饮料瓶的塑料。 由于聚对苯二甲酸乙二醇酯不易分解，因此是造成塑料污染的主要原因。

"必须指出的是，PET 塑料占全球塑料总用量的 12%，"Aristilde 说，"而且它它在废水中的微塑料中所占的比例高达 50%。"

降解塑料的天生能力

为了更好地了解C. testosteroni是如何与塑料相互作用并以塑料为食的，Aristilde和她的团队采用了多种理论和实验方法。 首先，他们从废水中分离出细菌，并将其培养在 PET 薄膜和颗粒上。 然后，他们使用先进的显微镜观察塑料材料表面随时间的变化。 接着，他们检查了细菌周围的水，寻找塑料被分解成更小的纳米级碎片的证据。 最后，研究人员观察了细菌内部，以确定细菌用来帮助降解 PET 的工具。

"在细菌存在的情况下，微塑料被分解成微小的纳米塑料颗粒，"Aristilde 说。"我们发现，废水细菌有一种与生俱来的能力，可以将塑料降解为单体，即连接在一起形成聚合物的小构件。 这些小单元是生物可用的碳源，细菌可以利用它们进行生长。"

在确认C. testosteroni确实能够分解塑料后，Aristilde接下来想了解如何分解。 通过可以测量细胞内所有酶的 omics 技术，她的团队发现了该细菌在接触 PET 塑料时表达的一种特定酶。 为了进一步探索这种酶的作用，阿里斯蒂尔德请田纳西州橡树岭国家实验室的合作者制备了没有表达这种酶能力的细菌细胞。 值得注意的是，如果没有这种酶，细菌降解塑料的能力就会丧失或大大降低。

塑料在水中的变化

尽管阿里斯蒂尔德认为这一发现有可能被用于环境解决方案，但她也表示，这一新知识可以帮助人们更好地了解塑料是如何在废水中演变的。

"废水是微塑料和纳米塑料的巨大宝库，"Aristilde 说。"大多数人认为纳米塑料是以纳米塑料的形式进入废水处理厂的。 但我们的研究表明，纳米塑料可以在废水处理过程中通过微生物活动形成。 当我们的社会试图了解塑料从废水到接收河流和湖泊的整个过程中的行为时，我们需要关注这一点。"

编译自/SciTechDaily