- 新型细菌酶能降解聚酯塑料和青霉素，显示微生物适应能力强。
- 大多数合成塑料降解速度缓慢，形成微塑料和纳米塑料。
- 研究发现细菌可通过消化方式侵入塑料薄膜，挑战传统假设。
- 细菌可能进化出双重功能，对塑料降解和抗生素失活有帮助。
康斯坦茨大学的研究团队发现一种新型细菌酶，能够降解某些聚酯塑料和生物塑料，并且可以切割青霉素，这一发现表明微生物可能比科学家预期更快适应塑料。这项研究发表于《ISME Journal》。该酶位于细菌细胞的外部，具有异常宽大的活性位点，微生物学家哈利·勒纳（Harry Lerner）和大卫·施莱赫克（David Schleheck）将其称为“吃豆人酶”。勒纳是该研究的第一作者，当时是该大学的博士后研究员。
这一发现的重要性在于，大多数合成塑料被微生物降解的速度非常缓慢，因此废弃物大多碎裂成微塑料和纳米塑料。高密度聚乙烯（HDPE）的生物降解可能需要几百到几千年。微生物确实会定殖塑料废弃物，形成研究人员称之为“塑料生境”（plastisphere）的栖息地，但它们通常不能将大多数塑料作为食物。
细菌如何降解生物塑料
在森林土壤中的一年，勒纳和施莱赫克，一位微生物生态学教授，研究了微生物如何完全降解生物塑料，使用由化学家斯特凡·梅金（Stefan Mecking）团队开发的长链脂肪族聚酯（LCAP）薄膜。他们将薄膜埋入大约 10 厘米深的树林腐殖层中，并在实验室将生物塑料粉末混入相同的土壤中，追踪微生物呼吸产生的二氧化碳，持续了一年。所有测试的生物塑料，包括 LCAP、PHBV 和 PCL，都在约 250 到 330 天内完全降解。
纤维素在约 80 天内降解，而 HDPE 几乎没有降解。
电子显微镜拍摄的埋藏 LCAP 薄膜显示出微米大小的孔洞，每个孔洞的大小和形状均与单个细菌细胞相匹配。研究团队假设，附着有塑料降解酶的细菌通过消化的方式侵入薄膜，这挑战了细菌仅仅将这些酶释放到周围环境中的假设。
基因与酶的双重功能
研究人员在土壤中寻找 DNA 时，发现了一个在仅含 LCAP 的土壤中高度富集的基因。该基因编码一种具有分泌信号和脂质锚定的酯酶，保持其附着于细胞表面。其结构还类似于β-内酰胺酶，这些酶能切割青霉素等抗生素中的β-内酰胺环。实验室中，团队展示了该酶通过水解将聚酯降解为单体，并同时切割青霉素，施莱赫克解释说，表面的附着有助于完成这两项工作。塑料基质在细胞附近形成，细菌可以在它们漂浮走或被邻居占有之前吸收它们。
在抗生素进入细胞之前，它们已被失活。
勒纳表示，科学家对抗生素抗性基因在塑料生境中的普遍存在感到困惑。这些发现表明，这里的生物可能进化出双重功能，给它们带来双重优势。同样，有可能某些此类酶现在专门用于降解塑料，而β-内酰胺酶的活性则是其进化过程中的残留物。
施莱赫克表示，令人鼓舞的是，细菌似乎能够比预期更快适应聚酯塑料，人们需要与微生物的能力合作。理想情况下，这意味着使用具有生化断裂点的聚合物，例如 LCAP 中的酯键，来处理那些逃避回收并最终进入环境的塑料。
细菌适应塑料的潜力与挑战
这项研究揭示了细菌对聚酯塑料的适应能力，显示出微生物在塑料降解方面的潜力。随着塑料污染问题日益严重，寻找有效的降解方法变得至关重要。研究团队的发现挑战了传统观念，表明细菌不仅能释放酶，还能直接侵入塑料，这可能为未来的环保技术提供新思路。此外，细菌的双重功能可能有助于解释抗生素抗性基因的存在，进一步强调了微生物在生态系统中的重要角色。