- 新型細菌酶能降解聚酯塑料和青黴素，顯示微生物適應能力強。
- 大多數合成塑料降解速度緩慢，形成微塑料和納米塑料。
- 研究發現細菌可通過消化方式侵入塑料薄膜，挑戰傳統假設。
- 細菌可能進化出雙重功能，對塑料降解和抗生素失活有幫助。
康斯坦茨大學的研究團隊發現一種新型細菌酶，能夠降解某些聚酯塑料和生物塑料，並且可以切割青黴素，這一發現表明微生物可能比科學家預期更快適應塑料。這項研究發表於《ISME Journal》。該酶位於細菌細胞的外部，具有異常寬大的活性位點，微生物學家哈利·勒納（Harry Lerner）和大衞·施萊赫克（David Schleheck）將其稱為“吃豆人酶”。勒納是該研究的第一作者，當時是該大學的博士後研究員。
這一發現的重要性在於，大多數合成塑料被微生物降解的速度非常緩慢，因此廢棄物大多碎裂成微塑料和納米塑料。高密度聚乙烯（HDPE）的生物降解可能需要幾百到幾千年。微生物確實會定殖塑料廢棄物，形成研究人員稱之為“塑料生境”（plastisphere）的棲息地，但它們通常不能將大多數塑料作為食物。
細菌如何降解生物塑料
在森林土壤中的一年，勒納和施萊赫克，一位微生物生態學教授，研究了微生物如何完全降解生物塑料，使用由化學家斯特凡·梅金（Stefan Mecking）團隊開發的長鏈脂肪族聚酯（LCAP）薄膜。他們將薄膜埋入大約 10 釐米深的樹林腐殖層中，並在實驗室將生物塑料粉末混入相同的土壤中，追蹤微生物呼吸產生的二氧化碳，持續了一年。所有測試的生物塑料，包括 LCAP、PHBV 和 PCL，都在約 250 到 330 天內完全降解。
纖維素在約 80 天內降解，而 HDPE 幾乎沒有降解。
電子顯微鏡拍攝的埋藏 LCAP 薄膜顯示出微米大小的孔洞，每個孔洞的大小和形狀均與單個細菌細胞相匹配。研究團隊假設，附著有塑料降解酶的細菌通過消化的方式侵入薄膜，這挑戰了細菌僅僅將這些酶釋放到周圍環境中的假設。
基因與酶的雙重功能
研究人員在土壤中尋找 DNA 時，發現了一個在僅含 LCAP 的土壤中高度富集的基因。該基因編碼一種具有分泌信號和脂質錨定的酯酶，保持其附著於細胞表面。其結構還類似於β-內酰胺酶，這些酶能切割青黴素等抗生素中的β-內酰胺環。實驗室中，團隊展示了該酶通過水解將聚酯降解為單體，並同時切割青黴素，施萊赫克解釋說，表面的附著有助於完成這兩項工作。塑料基質在細胞附近形成，細菌可以在它們漂浮走或被鄰居佔有之前吸收它們。
在抗生素進入細胞之前，它們已被失活。
勒納表示，科學家對抗生素抗性基因在塑料生境中的普遍存在感到困惑。這些發現表明，這裡的生物可能進化出雙重功能，給它們帶來雙重優勢。同樣，有可能某些此類酶現在專門用於降解塑料，而β-內酰胺酶的活性則是其進化過程中的殘留物。
施萊赫克表示，令人鼓舞的是，細菌似乎能夠比預期更快適應聚酯塑料，人們需要與微生物的能力合作。理想情況下，這意味著使用具有生化斷裂點的聚合物，例如 LCAP 中的酯鍵，來處理那些逃避回收並最終進入環境的塑料。
細菌適應塑料的潛力與挑戰
這項研究揭示了細菌對聚酯塑料的適應能力，顯示出微生物在塑料降解方面的潛力。隨著塑料污染問題日益嚴重，尋找有效的降解方法變得至關重要。研究團隊的發現挑戰了傳統觀念，表明細菌不僅能釋放酶，還能直接侵入塑料，這可能為未來的環保技術提供新思路。此外，細菌的雙重功能可能有助於解釋抗生素抗性基因的存在，進一步強調了微生物在生態系統中的重要角色。