探索深海海底可生物降解塑料的微生物降解，海洋废物管理的新见解

塑料污染问题长期以来一直是环保主义者和科学家关注的问题，而可生物降解塑料的引入被认为是解决这一全球危机的潜在解决方案。然而，尽管这些塑料被宣传为比传统聚合物更环保，但人们对可生物降解塑料在不同环境中的分解情况仍然知之甚少。

最近的一项研究将注意力转向了深海环境中可生物降解塑料的微生物降解，而深海是污染研究中经常被忽视的区域。深海的特点是高压、低温和缺氧等极端条件，为微生物生命提供了独特的环境，并为塑料降解的潜力提供了新的见解。

可生物降解塑料

可生物降解塑料的分解速度比传统塑料更快，传统塑料在自然环境中需要数百年才能分解。这些塑料通常通过微生物作用分解，包括细菌、真菌和其他微生物，它们将聚合物链代谢成更简单的分子。可生物降解塑料有几种类型，包括：

• 聚羟基脂肪酸酯 (PHA)：这些生物塑料由细菌产生，被认为是完全可生物降解的。它们通常用于医疗应用和包装材料。
• 可生物降解聚酯：包括聚乳酸（PLA）和聚丁烯己二酸酯对苯二甲酸酯（PBAT），常用于包装、农用薄膜和纺织品。
• 多糖：这些生物塑料来自淀粉或纤维素等天然来源，可通过酶活性进行生物降解。

尽管可生物降解塑料前景光明，但其降解速度会因处置环境的不同而有很大差异。

可生物降解塑料的生物降解涉及几个关键步骤。首先，微生物在塑料表面定殖并形成生物膜，生物膜可作为微生物的保护层。这些生物膜可以帮助微生物将复杂的塑料聚合物分解成较小的分子，然后由微生物代谢。对于可生物降解聚酯，酯酶等酶将聚合物链分解成乳酸或其他有机酸等单体，然后可以进一步代谢。

深海生物降解的一个关键方面是耐寒酶的作用。这些酶由嗜冷性微生物产生，经过优化可在低温下发挥作用。这些酶已被证明可有效分解可生物降解的塑料，但它们在深海条件下的效率仍不确定。此外，这些酶对不同类型的可生物降解塑料（如 PHA 或聚乳酸）的作用能力需要进一步研究。

深海环境：严酷而独特的生态系统

深海是地球上最极端的环境之一，其条件包括巨大的压力、接近冰点的温度和完全黑暗。深海海底还具有营养物质供应不足和氧气有限的特点，这对微生物生命构成了重大挑战。尽管条件如此极端，深海生态系统仍然是各种微生物的家园，包括细菌、古菌和真菌，它们已经适应了在这些恶劣环境中生存。

深海微生物群落对生态系统的运作至关重要，在营养循环和有机物分解中发挥着关键作用。然而，这些微生物降解可生物降解塑料的能力仍然是一个备受关注和研究的课题，这些塑料被设计成在较温和的条件下分解。

研究表明，虽然可生物降解塑料的微生物分解在深海海底是可能的，但其分解速度比在沿海水域或陆地生态系统等较温和的环境中要慢得多。

参与塑料降解的微生物群落

了解导致塑料降解的微生物群落是研究的一个关键领域。在浅海环境中，某些细菌和真菌已被证实能够分解可生物降解的塑料。然而，深海微生物群落与更易接近的环境中微生物群落大不相同，它们降解可生物降解塑料的能力尚未完全了解。

研究深海塑料降解的挑战之一是确定参与该过程的特定微生物物种或群落。这项研究使用宏基因组数据集的研究为深海海底的微生物多样性及其在生物降解中的潜在作用提供了一些见解。研究人员发现，虽然深海微生物能够降解可生物降解的聚酯和 PHA，但该过程的效率明显低于沿海或陆地环境。

这种较慢的降解过程可能归因于多种因素，包括深海海底的低温和有限的微生物活动。然而，一些微生物已经进化出在这些恶劣条件下生存和繁衍的机制，产生特殊的酶，使它们能够代谢复杂的有机化合物，包括塑料。这些酶，如酯酶、角质酶和漆酶，被认为在可生物降解塑料的分解中起着关键作用。识别和表征这些酶可以为深海生态系统的生物修复潜力提供重要的见解。

影响塑料降解的环境因素

有几个环境因素会影响深海中可生物降解塑料的降解速度和效率。这些因素包括：

• 温度：深海温度通常接近冰点，这会减缓微生物活动和酶促过程。相反，较高的温度往往会加速陆地和浅海环境中的生物降解。深海的低温对塑料的微生物降解提出了重大挑战，这可能需要专门的酶才能在较低温度下有效发挥作用。
• 压力：深海环境的高压（可能超过大气压的 1000 倍）也会影响微生物活动。一些被称为嗜压菌的微生物已经进化到在高压条件下茁壮成长，但压力对塑料生物降解的影响仍不太清楚。
• 营养物质的可用性：深海中的营养物质有限，微生物通常依赖于水体或海底有机物的分解。因此，营养物质的可用性可能对微生物降解塑料的能力起着重要作用。即使存在能够分解可生物降解塑料的微生物，缺乏必需的营养物质也会减慢分解过程。
• 氧气含量：深海海底通常处于缺氧状态，这意味着氧气含量极低。虽然一些深海微生物是厌氧的，可以在没有氧气的情况下生存，但需氧微生物在这种环境中可能处于劣势，它们通常更有效地降解可生物降解的塑料。然而，一些可生物降解的塑料也可能容易被厌氧微生物降解。

新的研究发现

一项新的研究，将可生物降解塑料样品被放置在深度从757米到5552米的各个深海位置，根据重量损失、材料厚度减少和表面形态变化来评估样品的降解情况​​。研究人员利用16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组学分析与塑料相关的微生物群落，以鉴定微生物及其潜在的塑料降解酶。

研究发现，可生物降解塑料，如聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 和聚酯，可在深海环境中通过微生物作用进行降解。然而，与沿海地区等较温暖、营养丰富的环境相比，这一过程发生得更慢，效率也更低。

某些可生物降解塑料，如聚羟基脂肪酸酯(PHA ) 、可生物降解聚酯和多糖酯，可被深海底的微生物分解。然而，PLLA和不可降解的普通塑料（PE、PP、PS、PET）无论在陆上还是在深海底，无论深度如何，都没有发生降解。

研究还表明，深海底生态系统含有大量的需氧和厌氧微生物，它们可能能够利用特定的分泌降解酶来分解可降解塑料，这些微生物一般具有全球分布。深海海底的微生物群落能够适应降解合成的可生物降解聚合物。虽然降解效率低于在其他海洋环境中观察到的水平，但证实存在能够分解这些塑料的特定微生物物种。

这项研究强调了可生物降解塑料在深海环境中的潜力和局限性。虽然深海微生物可以降解可生物降解塑料，但由于海底的极端条件，该过程速度要慢得多，效率也低得多。

思考

深海中负责生物降解塑料的具体微生物群落有哪些？环境条件如何影响深海塑料的生物降解率？哪些生化机制使得塑料在深海底实现生物降解？深海微生物能否分解更广泛的可生物降解塑料，还是其能力仅限于某些聚合物？

参考文献：Taku Omura, Noriyuki Isobe, Takamasa Miura, Shun’ichi Ishii, Mihoko Mori, Yoshiyuki Ishitani, Satoshi Kimura, Kohei Hidaka, Katsuya Komiyama, Miwa Suzuki, Ken-ichi Kasuya, Hidetaka Nomaki, Ryota Nakajima, Masashi Tsuchiya, Shinsuke Kawagucci, Hiroyuki Mori, Atsuyoshi Nakayama, Masao Kunioka, Kei Kamino & Tadahisa Iwata，Microbial decomposition of biodegradable plastics on the deep-sea floor.  Nature Communications volume 15, Article number: 568 (2024) ，doi.s41467-023-44368-8

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