来源：Molecules | 编译：DNA Lab Space
塑料污染是当今环境治理中最棘手的难题之一。聚乙烯（PE）作为全球产量最大的石油基塑料，其化学惰性使得它在自然环境中可以存留数十年甚至上百年。尽管已有多种微生物被报道具备PE降解能力，但降解效率普遍偏低，尤其是对未经任何预处理的原始PE，鲜有菌株能展现出令人满意的解聚效果。近日，来自河南的一项研究从垃圾填埋场土壤中分离到一株新的真菌——聚酯曲霉（Aspergillus sydowii）W144，在固态培养条件下对低密度聚乙烯（LDPE）薄膜表现出显著的氧化解聚能力，30天内重量损失率达6.39%，重均分子量下降50.93%。这一数据在目前已报道的PE降解菌株中颇为突出，尤其考虑到该研究使用的是未经任何预处理的PE材料。
研究背景
PE的广泛使用源于其低廉的成本和优异的物理化学稳定性，但正是这种稳定性构成了其环境归趋的主要障碍。每年数以千万吨计的PE废弃物进入填埋场或自然环境中，传统的焚烧和填埋处理方式不仅占用土地资源，还可能产生次生污染。生物降解被视为一种环境友好的替代方案，然而PE的疏水表面和高分子量特性使其难以被微生物直接攻击。
近年来，研究者从昆虫肠道、堆肥体系、塑料垃圾表面等生境中分离出多种具备PE降解能力的细菌和真菌，包括蜡样芽孢杆菌、桔青霉、曲霉属的若干物种等。这些菌株大多需要较长的培养周期才能实现有限的降解效果，且许多研究使用UV预处理或热氧化处理后的PE作为底物，降低了降解的起始难度。寻找能够在原始PE上高效定殖并发挥解聚作用的菌株，仍是该领域的关键瓶颈。
真菌因其分泌型胞外酶系统和穿透性菌丝生长方式，在PE降解中具有独特优势。本研究聚焦于从垃圾填埋场这一PE富集环境中筛选高效降解菌株，并通过基因组学手段解析其潜在的降解途径，为PE生物处理提供新的菌种资源和酶工具。
研究方法
菌株分离与鉴定。 研究团队从河南省某垃圾填埋场采集土壤样本，采用富集培养策略筛选能够以PE为唯一碳源的微生物。经过多轮划线纯化，获得一株具有稳定PE降解能力的真菌菌株，编号为W144。基于形态学特征和分子系统发育分析（ITS序列比对），该菌株被鉴定为聚酯曲霉（Aspergillus sydowii）。原文未详述分离培养的具体培养基配方和温度条件。
固态培养降解实验。 将LDPE薄膜与W144菌株共培养，采用固态培养条件，培养周期为30天。原文未详述LDPE薄膜的尺寸、灭菌方式、培养基成分、培养温度及湿度等具体参数。固态培养相较于液态培养，更接近自然环境中微生物对塑料表面的定殖状态，菌丝可以直接附着于PE薄膜表面分泌酶系。
降解效果表征。 培养结束后，回收LDPE薄膜，经清洗干燥后进行系列分析。傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于检测薄膜表面化学基团的变化，通过计算羰基指数（carbonyl index）评估氧化程度。差示扫描量热法（DSC）用于分析薄膜的结晶度变化。扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜表面形貌。重量损失率通过培养前后薄膜干重差值与初始重量的比值计算。凝胶渗透色谱（GPC）测定重均分子量（Mw）的变化。原文未详述各仪器型号及测试条件。
基因组测序与生物信息学分析。 对W144菌株进行全基因组测序，基于同源序列比对，并参考已报道的PE降解途径，构建了W144中推测的PE降解通路模型。通过基因组挖掘，重点关注了漆酶/多铜氧化酶基因家族。
异源表达与酶活验证。 从W144基因组中克隆候选基因laccase4，构建重组表达载体，转化毕赤酵母（Pichia pastoris）进行异源分泌表达。发酵液经纯化后，以ABTS为底物测定漆酶活性，并通过SDS-PAGE确认重组蛋白的分子量。原文未详述表达载体、诱导条件、纯化方法及酶活测定体系的具体参数。
研究结果
菌株鉴定结果。 分离菌株W144经形态学和分子鉴定确定为Aspergillus sydowii，该物种此前未被报道具备PE降解能力，属于新的PE降解真菌资源。
LDPE降解效果。 经过30天固态培养，W144菌株对LDPE薄膜展现出显著的氧化解聚作用。定量分析显示，LDPE薄膜的重量损失率为6.39%，重均分子量（Mw）降低了50.93%。这两个数据相互印证——分子量的大幅下降表明聚合物主链发生了断裂，而不仅仅是表面添加剂的溶出或生物膜附着造成的表观重量变化。
表面化学与结构变化。 FTIR分析检测到LDPE薄膜的羰基指数显著升高，表明PE分子链上引入了含氧官能团（如羰基、羧基等），这是氧化降解的关键标志。DSC分析显示LDPE薄膜的结晶度增加。这一现象看似矛盾，实则符合聚合物降解的典型特征——非晶区优先被微生物攻击降解，导致剩余材料的相对结晶度升高。SEM观察发现LDPE薄膜表面出现明显的点蚀和侵蚀痕迹，与微生物定殖和酶解作用的空间分布特征一致。
降解效率的横向定位。 在目前已报道的PE降解菌株中，W144的解聚效率尤为突出，特别是对未经任何预处理的原始PE。多数已报道菌株需要使用UV照射或热氧化预处理来降低PE的疏水性和分子量，而W144在原始PE上即实现了超过50%的分子量下降，这在同类研究中具有明显的效率优势。
基因组分析与降解途径构建。 基于全基因组数据，通过同源序列比对和参考已知PE降解途径，研究团队构建了W144中推测的PE降解通路模型。该模型将漆酶/多铜氧化酶置于PE初始氧化步骤的核心位置，认为这些酶首先攻击PE主链上的C-H键，引入羟基或羰基，随后由其他酶系进一步氧化裂解。原文未详述该通路中其他酶类的具体组成和反应步骤。
漆酶基因的功能验证。 候选基因laccase4在毕赤酵母中成功实现异源表达。纯化后的重组蛋白分子量约为56 kDa，以ABTS为底物测得的漆酶活性为460 U/L，证实该基因编码的蛋白质具有功能性漆酶活性。这一结果从酶学层面验证了基因组预测的可靠性，也为后续的酶工程改造提供了起点。
讨论与展望
这项研究的价值首先体现在菌株资源的稀缺性上。A. sydowii W144在未经预处理的LDPE上实现了6.39%的重量损失和50.93%的分子量下降，这一效率在同类PE降解真菌中处于领先位置。固态培养条件的选择值得关注——相较于液态培养，固态体系更贴近填埋场或堆肥环境的实际状态，菌丝体与塑料表面的紧密接触可能是高效解聚的关键因素之一。
分子量下降幅度远大于重量损失率，这一差异揭示了降解的机制特征：W144优先切断聚合物主链，产生低分子量片段，但这些片段并未完全矿化为CO₂，部分可能被菌体吸收同化或释放到培养基中。这种“先解聚、后矿化”的两阶段模式，为后续优化提供了明确的靶点——如果能够筛选或改造出同时具备高效解聚和快速矿化能力的菌株或酶系，PE的生物处理效率将进一步提升。
漆酶/多铜氧化酶在PE初始氧化中的关键作用得到了基因组预测和异源表达的双重验证。56 kDa的重组漆酶蛋白和460 U/L的酶活数据，为后续的酶学表征和蛋白质工程奠定了实验基础。漆酶作用的底物特异性通常较宽，这或许解释了为何该类酶能够攻击PE这种非天然高分子——但具体的催化机制和动力学参数仍有待深入研究。
原文未详述的部分包括培养条件的具体参数（温度、湿度、培养基组成）、LDPE薄膜的初始分子量及厚度、GPC测试的溶剂体系等。这些信息的补充将有助于不同研究之间的定量比较和实验复现。此外，该菌株在复杂生态系统中的实际降解表现、降解产物的生态毒性评估、以及漆酶与其他酶系的协同作用机制，都是未来值得推进的研究方向。
W144菌株的分离和表征丰富了PE降解的微生物资源库，其基因组信息为挖掘更多参与塑料降解的酶类提供了数据基础。从实验室到实际应用，这条路或许还很漫长，但每一个具有真实降解活性的菌株和酶，都在为塑料污染的生物学解决方案积累着关键的拼图。
参考来源
Wang Q, Wang L, Chen X, Wang A, Zhao Y. Identification and Characterization of a Polyethylene-Degrading Fungus Aspergillus sydowii Isolated from Soils of Waste Disposal Sites. Molecules. PMID: 42197112.
PMID: 42197112