细菌在废水中的PET微塑料富集及其降解机制的研究

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@小白创作中心

细菌在废水中的PET微塑料富集及其降解机制的研究

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https://zshq.zuiyouliao.com/zixun/detail-b4d8dcbe48e74f3a8e47015db961ff42.html

在废水和城市河流环境中，Comamonadaceae科细菌常在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微塑料上富集，但其降解PET的具体机制仍不清楚。本研究利用从废水中分离出的Comamonas testosteroni KF-1菌株，通过显微分析、光谱技术、蛋白质组学、蛋白质建模及基因工程技术，系统探究了该细菌的PET降解机制。扫描电子显微镜（SEM）显示，与PET薄膜上仅有轻微凹痕相比，PET颗粒在30天的培养过程中发生了显著的碎裂，导致粒径小于100纳米的纳米颗粒数量增加了3.5倍。红外光谱分析表明，碎裂的PET颗粒主要通过水解作用降解。溶液分析进一步证实，PET低聚物双(2-羟基乙基)对苯二甲酸酯（BHET）经过双重水解生成了生物可利用的单体——对苯二甲酸（TPA）。研究还发现，乙酸作为一种常见的废水共底物，能够促进细菌的生长并加速PET的降解。在基因组中编码的多种水解酶中，细胞内蛋白质组学检测到仅有一种水解酶在乙酸单一碳源和PET碳源条件下均能表达。虽然该酶的序列与已知的PET水解酶存在差异，但同源建模结果表明，其底物结合模式与已有研究报道的PET水解酶类似。基因工程实验进一步证明了该酶在PET降解过程中的关键作用：缺乏该酶基因的突变菌株无法水解PET低聚物，其PET碎裂能力也下降了21%。当该基因被重新引入后，细菌的PET降解能力得以恢复。综上所述，本研究发现了Comamonas菌株在废水环境中能够稳定表达的关键PET水解酶。这一发现为塑料的生物转化提供了新的研究方向，并有望推动基于细菌的降解技术在废水处理及塑料污染治理中的应用。

最近，一项近期发表在《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）上的研究探索了细菌 Comamonas testosteroni KF-1 (C. testosteroni KF-1) 在废水和城市河流中的PET微塑料富集及其降解机制研究。

塑料污染与降解挑战

塑料的广泛使用导致了严重的环境污染，预计到2050年，全球塑料废弃物将达到约330亿吨。其中，微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）因其微小尺寸和生物摄入风险，对生态系统构成了巨大威胁。

废水处理厂（WWTPs）是这些微小塑料颗粒的主要积聚与排放场所。虽然已有研究表明微生物能够分泌酶降解PET，但在废水环境中具体的降解机制尚未完全厘清。由于PET塑料广泛用于一次性容器，因此研究微生物如何在废水环境中生物降解PET，对于开发有效的生物修复策略至关重要。

细菌降解PET的机制研究

该研究聚焦于一种能降解多种芳香族化合物的细菌——C. testosteroni KF-1，假设其也能降解PET塑料。研究人员运用了显微技术、光谱分析、蛋白质组学、蛋白建模和基因工程等多种手段，对其降解过程进行了全面测试。

研究过程中，研究人员将PET薄膜和颗粒与C. testosteroni KF-1共同培养，并监测细菌的生长情况及PET的碎裂过程。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）用于观察PET表面结构的变化。

PET降解实验与分析技术

实验首先对PET材料进行表征，通过X射线衍射（XRD）测量PET的结晶度，并使用SEM观察其表面形态。在实验中，PET薄膜和颗粒经过灭菌后，与C. testosteroni KF-1一起在营养成分有限的培养基中培养，部分样品添加了乙酸作为共底物。研究人员通过光学密度测量细菌生长，并监测微塑料和纳米塑料的释放情况。

SEM和TEM结果显示，PET颗粒表面出现了明显的碎裂，形成了凹痕和刻蚀痕迹，而PET薄膜的表面变化较小。纳米颗粒追踪分析表明，随着时间推移，粒径小于100 nm的纳米颗粒数量显著增加。

ATR-FTIR（衰减全反射傅里叶变换红外光谱）检测显示，PET降解主要通过水解作用完成，表现为羟基和脂肪族基团的红外吸收强度增加。同时，超高效液相色谱（UHPLC）分析证实了PET低聚物——双(2-羟基乙基)对苯二甲酸酯（BHET）被水解为生物可利用的单体对苯二甲酸（TPA）。