实验进化细菌生物膜协同降解聚乙烯的机制与生态策略研究

本刊推荐：针对聚乙烯(PE)抗生物降解的环境挑战，研究人员通过长期实验进化构建了稳定多菌种生物膜群落。研究发现Stutzerimonas stutzeri作为关键物种主导PE降解酶表达，而其他成员通过分泌胞外多糖(EPS)增强生物膜形成，形成代谢分工协同机制。该研究为塑料污染生物修复提供了新型群落构建策略。

　　

随着塑料制品在全球范围内的广泛使用，聚乙烯作为最常用的合成聚合物之一，其极强的抗降解特性导致了严重的环境积累问题。废弃塑料在自然环境中会形成独特的"塑料圈"(plastisphere)生态位，微生物在此定植并通过分泌胞外聚合物(EPS)形成生物膜。虽然微生物群落在塑料降解中起着关键作用，但关于构建稳定互作菌群的研究仍十分有限。

在这项发表于《The ISME Journal》的研究中，由昆明科技大学生命科学与技术学院的Shan Li、Jiajia Liu等研究人员组成的团队，通过实验进化技术成功培育出具有增强降解能力的多菌种生物膜群落。研究人员从云南滇池湖滨环境中收集自然风化的废弃塑料袋，经过富集培养后建立了六个平行细菌种群，并以聚乙烯作为唯一碳源进行了40个周期的长期实验进化。

研究采用的关键技术方法包括：16S rRNA基因扩增子测序分析群落动态、扫描电子显微镜(SEM)观察生物膜结构、荧光原位杂交结合共聚焦激光扫描显微镜(FISH-CLSM)解析空间分布、高温凝胶渗透色谱(HT-GPC)测定分子量变化、X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析表面化学变化，以及转录组学和代谢组学技术揭示分子机制。

平行进化细菌种群在PE塑料上的形成

通过实验进化，六个微生物种群在PE表面形成了稳健的多菌种生物膜。共聚焦显微镜显示，随着进化周期推进，生物膜厚度逐渐增加，活细胞比例显著提升。16S rRNA基因测序表明，群落丰富度和多样性在进化过程中急剧下降，Stutzerimonas物种成为优势菌种，在中期阶段占据群落的60%以上。

三种优势菌株的分离与互作机制

从进化种群中分离出三株核心菌种：Stutzerimonas stutzeri(St)、Enterobacter bugandensis(Eb)和Enterococcus casseliflavus(Ec)。定量PCR分析显示St在进化过程中持续占据主导地位。共培养实验证明St作为关键种能够显著促进其他菌种的生物膜形成，表明存在代谢互补关系。

进化菌群促进PE塑料降解

扫描电镜显示SynCom(合成群落)处理组PE表面出现更广泛的侵蚀现象。水接触角测定表明SynCom处理使PE疏水性显著降低(从105.1°降至96.1°)。重量损失实验和GPC分析共同证实SynCom具有更高的降解效率，FTIR光谱发现羰基(C=O)和羟基(C-OH)特征峰，表明发生了氧化降解。

协同生物降解通过促进胞外多糖分泌实现

SynCom形成了由EPS连接的密集生物膜网络，而St单培养则缺乏明显的EPS基质。在30天培养期内，SynCom的碳水化合物产量达到162 mg/L，显著高于St的40 mg/L。这种增强的EPS分泌改善了生物膜的形成质量和降解效率。

表面化学转化与代谢特征

XPS分析显示生物处理后PE表面含氧官能团增加。非靶向代谢组学检测到烃类、单多不饱和脂肪酸等降解产物，KEGG富集分析表明这些代谢物与多环芳烃降解和脂肪酸生物合成通路相关。GC-MS/MS定量分析检测到棕榈酸(C16H32O2)和硬脂酸(C18H36O2)等中间产物。

进化群落协同源于交叉喂养和空间分区

交叉喂养实验表明菌株间存在不对称的代谢互作：St在自身上清液中生长最佳，Eb在St上清液中生长最好，而Ec在SynCom上清液中获益最多。FISH-CLSM成像显示St定植于塑料表面形成基底層，而Eb和Ec则形成高层聚集体，这种空间分区创造了有利于降解的微环境。

St与SynCom在PE降解中的基因表达差异

转录组分析发现St在PE条件下有293个基因显著上调，包括脂肪酸代谢、醣群感应和ABC转运蛋白等相关基因。GO分析显示分子功能主要富集在转运活性和氧化还原过程。宏转录组分析表明SynCom中生物膜形成相关基因显著富集，且不同菌种表现出功能分工：St主导降解相关基因表达，而Eb主要负责胞外多糖合成相关基因。

研究结论表明，通过实验进化可以构建具有代谢协作功能的多菌种生物膜群落，这种群落通过空间分区和代谢分工实现高效的聚乙烯降解。Stutzerimonas stutzeri作为关键物种负责初始降解步骤，而Enterobacter和Enterococcus则通过增强生物膜结构和代谢互作来支持群落功能。该研究不仅揭示了微生物群落协同降解塑料的分子机制，还为开发基于合成菌群的生物修复策略提供了重要理论基础和实践指导。

讨论部分强调，与单一种培养相比，多菌种群落的代谢互补性和空间组织结构能够有效避免"作弊者"现象，维持降解功能的稳定性。这种通过实验进化筛选功能菌群的方法，为构建高效塑料降解群落提供了新思路，在环境生物修复领域具有广阔的应用前景。