牛胃中的微生物可以帮助降解回收塑料

诸平

Figure 2. Hydrolysis products after incubation of different synthetic polyester powders (PET (A), PBAT (B), and PEF (C)) with rumen samples. Ta, terephthalic acid; MHET, mono-2-hydroxyethyl terephthalate; BHET, bis(2-hydroxyethyl)terephthalate; BTa, mono(hydroxybutyl)terephthalate; BTaB, bis(4-hydroxybutyl) terephthalate; FDCA, 2.5-furandicarboxylic acid. Data are mean values of three different measurements, and bars represent the standard deviation.

之前写过全球塑料污染是否接近不可逆转的临界点？ 结果被精选了。今天再来介绍利用微生物进行塑料降解的相关研究。据妮可莱塔·拉尼斯（Nicoletta Lanese ）2021年7月2日报道，从奶牛胃中捕捞的微生物可以吞噬某些种类的塑料，包括用于汽水瓶、食品包装和合成纤维的聚对苯二甲酸乙二醇酯 ( polyethylene terephthalate简称PET)。

科学家们在从反刍动物胃的最大隔间——瘤胃中抽取的液体中发现了这些微生物；反刍动物包括牛和羊等有蹄动物，它们依靠微生物来帮助分解粗食物。根据美国明尼苏达大学（University of Minnesota）的说法，瘤胃充当这些微生物的孵化器，这些微生物消化或发酵奶牛或其他反刍动物消耗的食物。研究人员怀疑潜伏在奶牛瘤胃中的一些微生物应该能够消化聚酯，聚酯的成分分子通过所谓的酯基连接起来。这是因为，由于它们的食草性饮食，奶牛消耗一种由植物产生的天然聚酯，称为角质（cutin）。作为一种合成聚酯，PET 与这种天然物质具有相似的化学结构。奥地利维也纳的天然资源和生命科学大学（University of Natural Resources and Life Sciences in Vienna）的资深科学家、通讯作者多丽丝·里比奇 (Doris Ribitsch) 说，角质构成了大部分角质层，或者植物细胞壁的蜡质外层，例如，在西红柿和苹果的果皮中可以找到大量的角质素。

多丽丝·里比奇告诉生命科学（Live Science）记者：“当真菌或细菌想要渗透这些水果时，它们会产生能够切割这种角质或者分裂物质内化学键的酶。具体来说，一类称为角质酶（cutinases）的酶可以水解角质，这意味着它们会启动化学反应，在该反应中水分子将物质分解成碎片。 

多丽丝·里比奇和她的同事过去曾从微生物中分离出此类酶，并意识到奶牛可能是类似的食聚酯虫（similar polyester-munching bugs）的来源。她说：“这些动物正在消耗和降解大量植物材料，因此很可能会在奶牛的胃中找到这种微生物”。 

事实上，在他们2021年7 月 2 日发表在《生物工程与生物技术前沿》（Frontiers in Bioengineering and Biotechnology）杂志网站上的新研究——Felice Quartinello, Klemens Kremser, Herta Schoen, Donatella Tesei, Leon Ploszczanski, Magdalena Nagler, Sabine M. Podmirseg, Heribert Insam, Guadalupe Piñar, Katja Sterflingler, Doris Ribitsch, Georg M. Guebitz. Together Is Better: The Rumen Microbial Community as Biological Toolbox for Degradation of Synthetic Polyesters. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 02 July 2021, https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.684459.参与此项研究的除了来自奥地利天然资源和生命科学大学的研究人员之外，还有来自奥地利工业生物技术中心（Austrian Centre of Industrial Biotechnology, Graz, Austria）、物理与材料科学研究所（Institute of Physics and Materials Science , Vienna, Austria）以及奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck, Innsbruck, Austria）的研究人员。

在此项研究中，研究人员发现，来自牛瘤胃的微生物不仅可以降解 PET，还可以降解其他两种塑料——聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯 (polybutylene adipate terephthalate简称PBAT)，用于可堆肥塑料袋（compostable plastic bags）；以及由可再生植物衍生材料制成的聚呋喃甲酸乙二醇酯 ( polyethylene furanoate 简称PEF)。

为了评估这些瘤胃微生物对塑料的吞噬能力，​​研究小组将每种类型的塑料在瘤胃液体（rumen liquid）中培养了1~3天。然后他们可以测量塑料释放的副产品，以确定这些虫子（bugs）是否以及在多大程度上将材料分解成其组成部分。研究小组报告说，瘤胃液体最有效地分解 PEF，但它降解了所有三种塑料。

然后，该团队从瘤胃液体中取样DNA，以了解哪些特定微生物可能对塑料降解负责。根据《应用微生物学与生物技术》（Applied Microbiology and Biotechnology）杂志和《危险材料杂志》（Journal of Hazardous Materials）的报道，大约 98% 的 DNA 属于细菌界（bacteria kingdom），其中最主要的属是假单胞菌（Pseudomonas），过去已证明其中有几个物种菌类可以分解塑料。 

根据《农业与食品化学杂志》（Journal of Agricultural and Food Chemistry） 2017 年的一份报告，不动杆菌属的细菌（Bacteria of the genus Acinetobacter）也在瘤胃液体中大量出现，同样，该属中的几个物种已被证明可以分解合成聚酯。

展望未来，多丽丝·里比奇和她的团队希望充分表征瘤胃液体中的塑料食细菌（plastic-eating bacteria in rumen liquid），并确定细菌使用哪些特定的酶来分解塑料。如果他们确定了就有可能回收有用的酶，然后他们就可以对此微生物进行基因工程化，大量生产这些酶，而无需直接从牛的胃中收集所述微生物。多丽丝·里比奇说，通过这种方式，可以轻松且廉价地生产这些酶类，用于工业规模。 

在这方面，多丽丝·里比奇和她的团队已经为一种回收方法申请了专利，其中纺织材料依次接触各种酶；该团队在之前的工作中确定了这些酶。第一批酶会侵蚀材料中的布纤维，而下一批酶会处理特定的聚酯。这是有效的，因为每种酶都针对非常特定的化学结构，因此不会分解遇到的任何其它材料。多丽丝·里比奇解释说，通过这种方式，包含多种材料的纺织品可以回收利用，而无需首先将其分成各个组成部分。

曼尼托巴大学生物系统工程系（University of Manitoba Department of Biosystems Engineering ）的分子生物学家和生物技术专家大卫·莱文（David Levin）说，根据这项新研究，牛瘤胃可能代表了发现这类有用酶的另一种环境，但此类酶在自然界的许多地方都会出现。讲此番话的大卫·莱文并没有参与此项研究。 

例如，第一个发现能够消耗 PET 的细菌是Ideonella sakaiensis，这是一种参与清酒发酵的菌种，大卫·莱文说。他指出，某些海洋生物会分泌可以分解塑料的角质酶（cutinases），感染陆地植物的各种真菌也是如此。 

到目前为止，科学家们已经幸运地找到了分解 PET 和可生物降解塑料（如 PBAT 和 PEF）的塑料酶（plastic-eating enzymes），但现在，真正的挑战在于找到分解更多麻烦塑料产品的酶，大卫·莱文说。

例如，聚乙烯（polyethylene）和聚丙烯（polypropylene）等塑料主要由碳原子之间的强键组成，这种结构限制了酶抓住分子和启动水解的能力，多丽丝·里比奇说。因此，尽管科学家们已经发现、表征并商业化了降解 PET 的酶，但研究人员仍在寻找能够处理聚乙烯和聚丙烯的微生物，大卫·莱文说。大卫·莱文和他的实验室已经在这方面确定了一些有希望的候选者，但他们仍在研究如何最大限度地发挥虫子的塑料吞噬能力（bugs' plastic-eating powers）。 

多丽丝·里比奇说，她的团队还关注可以消耗聚乙烯的微生物，并想知道这些虫子是否可能潜伏在奶牛的胃里。“也许我们可以在如此庞大的群体中找到，比如在瘤胃液体中，也可以降解聚丙烯和聚乙烯的酶。”上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

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 Abstract

Microorganisms, like bacteria and fungi, are becoming an emerging resource for the development of eco-sustainable plastic degradation and recycling processes. In this study, the rumen content from cattle (Bos taurus) was investigated regarding synthetic polyester hydrolyzing enzymes based on the fact that the diet of ruminants may contain natural plant polyesters. A screening with model substrates demonstrated hydrolytic activities of rumen fluid on p-NP-esters with four to eight carbon atoms. Rumen fluid hydrolyzed synthetic aromatic polyesters with higher amounts of terephthalic acid released from poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) (0.75 and 0.5 mM for polymer powder and film, respectively) and thus exceeded when compared to the hydrolysis of the second terephthalic acid-based polymer—poly(ethylene terephthalate) (PET) (0.6 and 0.15 mM, for powder and film, reciprocally). Additionally, rumen fluid hydrolyzed the bio-based polyester poly(ethylene furanoate) (PEF) according to HPLC and SEM analysis. Shotgun metagenome analysis of the rumen microbiome revealed the real proportion of all domains of life, showing the dominance of bacteria (98%), followed by Eukaryota (1%) and finally Archaea. Among the most abundant genera encountered in this study, polyester hydrolysis activity has already been proven (e.g., Pseudomonas).