从覆盖有聚乙烯薄膜的农业土壤中分离出的镰刀菌和青霉菌菌株对低密度聚乙烯微塑料的生物降解作用

《Journal of Environmental Management》：Biodegradation of low-density polyethylene microplastics by Fusarium and Penicillium strains isolated from agricultural soil mulched with polyethylene film

农业土壤中低密度聚乙烯微塑料降解真菌研究：分离四株降解菌并发现新型降解真菌Penicillium olsonii，其表面降解与漆酶、锰过氧化物酶活性相关。

　　塑料在农业土壤中的存在对生态环境构成了重大威胁，尤其是低密度聚乙烯（LDPE）由于其对生物降解的强抵抗性，这一问题尤为突出。尽管聚乙烯地膜被广泛应用于农业生产，但土壤微生物对LDPE微塑料颗粒（MPPs）的降解潜力仍处于探索阶段。本研究首次尝试从受聚乙烯地膜影响的农业土壤中分离并评估具有LDPE MPP降解能力的真菌菌株。研究共分离出四种能够降解LDPE MPP的真菌菌株，包括Fusarium oxysporum、F. solani、Penicillium sp.和P. olsonii。经过30天的矿物盐培养基培养后，这四种菌株分别降解了2.40%、2.36%、5.25%和2.94%的LDPE MPPs。其中，P. olsonii RN2是首次被报道为LDPE降解菌株。扫描电子显微镜观察显示，处理过的LDPE表面出现了广泛的微生物定植和形态变化，表明真菌的定植和表面降解。酶活性检测进一步表明，漆酶和锰过氧化物酶对LDPE的降解具有重要作用。本研究为理解来自土壤塑isphere的Fusarium和Penicillium菌株的生物降解潜力提供了宝贵的见解，并突显了它们在生物修复LDPE污染农业土壤方面的应用潜力。然而，仍需进一步研究以解决环境变化和微生物竞争的影响，并提高基于真菌的生物降解策略的可扩展性。

塑料因其易于生产、耐用性、低成本、柔韧性、轻重量、惰性和高化学稳定性，在农业、建筑、电子、交通、制造、包装、消费品、纺织和机械等行业中被广泛应用。随着塑料使用量的增加，全球合成塑料的产量从20世纪50年代的200万吨增加到2019年的3.68亿吨，并预计到2050年将超过10亿吨。LDPE是其中最常见的塑料之一，占全球塑料市场的约34%。LDPE因其高分子量、饱和的线性碳氢链、疏水性和水不溶性而具有高度的环境降解抵抗性。然而，LDPE会分解为微塑料（MPs，<5 mm），这些微塑料在环境中积累，对各种生态系统构成严重威胁。微塑料广泛存在于大气、淡水、海洋、沉积物和土壤等自然环境中。其在环境中的广泛积累对生态系统健康产生了显著的负面影响。例如，在水生生态系统中，微塑料被报告对水生生物造成病理压力、虚假饱腹感、繁殖障碍和生长迟缓。在陆地生态系统中，微塑料可能对土壤健康、土壤微生物群落、土壤生物、植物生长和生态系统功能产生不利影响。微塑料还能渗出有毒添加剂，并作为重金属和有机污染物等其他污染物的载体。微塑料在食品、饮用水和饮料中的存在对人类健康构成了重大威胁。因此，从环境中去除微塑料对于减轻其带来的生态风险至关重要。

传统的塑料废物处理方法，如填埋、焚烧和回收，存在诸多限制，包括二次污染物的释放、成本效益低以及回收产品质量差。因此，生物修复作为一种有效的替代策略，逐渐受到关注。这种方法具有成本效益和环境可持续性。近年来，研究人员对使用微生物降解微塑料的兴趣日益增加，尤其是细菌和真菌。已有研究从各种自然环境中分离出多种能够降解塑料的微生物，包括Bacillus、Rhodococcus、Streptomyces、Aspergillus和Cladosporium等物种。在塑料降解方面，细菌和真菌采用了根本不同的机制。例如，Pseudomonas、Bacillus和Rhodococcus等细菌通常依赖细胞表面水解酶来分解塑料，但它们在疏水性聚合物表面的定植受到限制。相比之下，丝状真菌如Aspergillus、Fusarium和Penicillium能够在疏水性表面上形成广泛的生物膜和菌丝网络，这得益于疏水素和胞外聚合物物质的帮助。在附着后，真菌会分泌木质素降解酶和水解酶，催化聚合物链的氧化断裂和水解。此外，真菌菌丝的穿透还增强了对聚合物内部层的机械破坏和接触。不同真菌种类的降解效率差异来源于疏水素表达水平、酶系组成、碳饥饿条件下的调控反应以及菌丝穿透能力。例如，白腐真菌在营养受限条件下表达高水平的木质素修饰酶，而子囊菌则通常分泌更多的角质酶样水解酶。

在环境生物技术领域，寻找具有增强生物降解能力的新微生物是一个重要研究方向。尽管已有大量研究对从各种自然环境中分离的LDPE降解微生物进行了筛选，包括垃圾填埋场、海洋环境、昆虫消化道和活性污泥等，但长期在聚乙烯地膜影响下形成的农业塑isphere仍未受到足够关注。塑isphere被描述为一个重要的微生物热点，代表了土壤微生物群落与塑料相互作用的独特生态位。最近的塑isphere研究显示，Aspergillus、Fusarium和Penicillium等真菌在含有地膜的土壤中更为丰富，表明其适应性专化。然而，尽管Fusarium和Penicillium等真菌具有已知的木质素降解潜力和疏水性表面附着能力，但在农业生态系统中针对这些类群进行LDPE降解的专门评估仍然缺乏。Fusarium和Penicillium等真菌在LDPE降解方面具有显著优势，因为它们能够在各种土壤条件下生存，形成广泛的生物膜，并分泌漆酶、脂肪酶和锰过氧化物酶（MnP）等氧化和水解酶。然而，不同真菌种类之间在酶表达谱、生物膜结构和调控反应上的差异决定了它们整体的LDPE降解效率。因此，理解来自土壤塑isphere的Fusarium和Penicillium的定植动态和LDPE降解潜力，可能为土壤微塑料污染提供先进的可持续解决方案。

本研究首次尝试调查从受聚乙烯地膜影响的农业土壤中分离出的本土Fusarium和Penicillium菌株对LDPE微塑料的生物降解潜力。研究从与聚乙烯地膜相关的塑isphere中分离并筛选真菌菌株，以评估其降解LDPE微塑料的能力。生物降解评估基于重量减少和表面形态与化学结构的变化。由于真菌在LDPE表面的定植可能有助于增强生物降解过程，因此也对其进行了评估。为了进一步阐明潜在的生物化学降解机制，研究还评估了漆酶和锰过氧化物酶的活性，持续时间为30天。通过这些方法，研究不仅揭示了这些真菌在LDPE降解中的作用，也为未来的生物修复技术提供了新的思路和方向。