研究背景:
聚乙烯(PE)的广泛使用导致了大量难以消化的塑料垃圾。蜡虫(印度谷蠹)幼虫可食用PE,但PE在肠道微生物作用下的降解原理尚不清楚,特别是对关键可降解PE菌株的研究尚不充分。由于蜡虫肠道是一个复杂的环境,单一菌株对PE的降解总是有限的。然而,微生物联合体可以通过交叉使用代谢物来提高生物降解效率。细菌和真菌在降解塑料垃圾方面具有很大的潜力。
研究内容:
东北林业大学生命科学学院的Hu Lou等人用PE喂养蜡虫。分离纯化了两株降解PE效率较高的菌株,研究了Meyerozyma guilliermondii ZJC1 (MgZJC1) and Serratia marcescens ZJC2 (SmZJC2)对PE的降解能力。通过水接触角(WCA)、FTIR、GC-MS、SEM和RT-qPCR等方法评价了单个菌群和菌群对PE降解的影响。
主要研究结果:
1、聚乙烯降解菌株的分离鉴定及系统发育分析。
(A)从饲喂PE的间印度谷螟幼虫肠道内容物中分离PE降解菌株。(B) MgZJC1和SmZJC2的分离纯化。(C\\D) MgZJC1和SmZJC2的菌落形态特征。(E)构建MgZJC1的系统发育树。(F)构建SmZJC2的系统发育树。
2、MgZJC1和SmZJC2对PE降解过程的表征。
(A)接种后PE样品的水接触角(WCAs)降低。(B) PE上生物膜的形成。(C) PE微生物降解产生的孔洞。(D) FT-IR光谱检测羰基带(1715 cm−1)的分布。(E) MgZJC1和SmZJC2降解PE 60天失重速率的变化。与未接种的微生物相比,随着PE降解时间的增加,降解速率逐渐增加(F) 60天后PE残基相对于对照的分子量分布(MWD)和分子量(重均分子量(Mw)/数均分子量(Mn))位移(内部图)。分子量的降低说明PE的长链结构发生了解聚/裂解,在这些菌株的存在下形成了低分子量片段。
3、MgZJC1和SmZJC2处理PE样品的GC-MS色谱图。
(A) MgZJC1色谱图。C9H10O(5.986分钟),C20H15NO(6.115分钟),C28H44O3(21.409分钟)和C16H32O2(22.921分钟)。(B) SmZJC2的色谱图。C16H18O(10.619分钟),C14H18N2O7(13.716分钟)和C31H48O6(21.405分钟)。酸类、酯类和酚类的形成表明聚合物的PE已降解为小分子物质。
4、MgZJC1 + SmZJC2 导致 PE 降解的证据。
(A) MgZJC1 + SmZJC2 降解 PE 生物膜的形成,箭头指的是 MgZJC1 和 SmZJC2 定殖的细菌。(B) MgZJC1 + SmZJC2 冻干降解产物的扫描电子显微镜 (SEM)。(C) MgZJC1 + SmZJC2 的 GC-MS 色谱图。C11H24(12.778 分钟)、C19H10O(19.766 分钟)、C15H32(22.715 分钟)、C14H30(27.871 分钟)、C16H34(35.826 分钟)、C25H52(39.862 分钟)、C27H56(43.025 分钟)。在MgZJC1+SmZJC2的作用下,PE被降解成不同分子量的烷烃和醛 (D) MgZJC1 + SmZJC2 降解 60 天期间 PE 重量损失率的变化。
5、PE降解相关基因在不同微生物接种类型中的相对表达。
(A)不同接种方法对PE降解过程中PiSm-CueO基因的相对表达量。(B)不同接种方法对PE降解过程中PiSm -酯酶基因的相对表达量。(C)不同接种方法对PE降解过程中PiMg-gltA基因的相对表达量。(D)不同接种方法对PE降解过程中PiSm-HP基因的相对表达量。(E)不同接种方法对PE降解过程中PiSm-olr基因的相对表达量。(F)不同接种方法对PE降解过程中PiMg-acetyl-CoA基因的相对表达量。(G)不同接种方法对PE降解过程中PiSm-gltA基因的相对表达量。(H)不同接种方法对PE降解过程中PiSm-sucA基因的相对表达量。(Ⅰ)不同接种方法下PE降解过程中PiMg-sucA基因的相对表达量。
6、印度谷螟幼虫肠道内容物降解聚乙烯的分子机理模型。
(A-C)通过饲喂PE,从谷蠹幼虫的肠内容物中分离出能够降解PE的微生物。(D)肠道中上皮绒毛细胞和微生物之间的空间关系。(E)在不同接种方法下PE降解产物的形成。(F)降解产物被肠细胞吸收,为印度谷螟幼虫提供能量。
研究结论:
肠道微生物可以降解PE。本研究从印度谷螟幼虫的肠道内容物中分离出潜在的PE降解菌MgZJC1和SmZJC2。MgZJC1和SmZJC2作为降解PE的潜在微生物,可以单独降解PE,也可以在微生物群落中降解PE。用扫描电镜观察了聚乙烯薄膜的破坏情况。FT-IR分析表明新的官能团形成,表明MgZJC1和SmZJC2被生物氧化。通过对NCBI两种微生物的基因筛选,确定了17个筛选基因中的12个基因与PE降解相关。
参考文献:
Biodegradation of polyethylene by Meyerozyma guilliermondii and Serratia marcescens isolated from the gut of waxworms (larvae of Plodia interpunctella)
原文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969722057035?via%3Dihub