一个分析平台，有助于解读可生物降解塑料在海洋环境中被微生物降解的过程

《Polymer Degradation and Stability》：An analytical platform that facilitates the interpretation of the microbial degradation of biodegradable plastics in the marine environment

海洋微生物降解可生物降解塑料的代谢模式研究及分析平台开发。

　　海洋塑料污染已成为全球环境和经济问题，受到越来越多的关注。随着技术挑战和社会规则制定的推进，减少、再利用和回收以及可再生资源的理念已经成为全球范围内寻求创新解决方案的共识。在这一背景下，那些可能泄漏到环境中的高风险商品应被替换为海洋可降解塑料（MBDPs）或天然聚合物，以潜在减少海洋塑料污染的环境影响。尽管MBDPs的研发机会正在出现，一些产品已经进入市场，但全球范围内BDPs的产量估计在2023年仅为139万吨，仅占全球塑料总产量的不到0.5%。这表明尽管有进展，但BDPs在整体塑料生产中的比例仍然较低。

聚合物的生物降解通常始于微生物的胞外酶降解，随后被细胞吸收。然而，大多数商品塑料在环境中几乎无法被生物降解。另一方面，天然聚合物，如陆地植物的细胞壁成分，通常在自然环境中具有良好的生物降解性，并最终被纳入全球碳循环。不过，不同分子种类的天然聚合物进入碳循环的速度差异较大。例如，纤维素和角质素可以在几个月内被降解，而木质素则表现出极高的降解难度。一些化学结构类似于天然聚合物的材料，如聚（ε-己内酯）（PCL），可能具有被微生物降解的潜力。此外，一些类似于脂肪族聚酯的聚合物，如聚羟基烷酸酯（PHA），已被多种微生物在不同环境中合成，用于细胞内的能量储存，并通过内在酶进行降解以实现代谢。然而，某些BDPs，如聚乳酸（PLA），其生物降解性仅限于陆地环境，而其在海洋环境中的降解则较为困难或存在疑问，因为海洋中相关微生物的浓度远低于陆地环境。因此，建立生物降解性评估的标准至关重要，以在全球市场中达成共识，并且这些标准必须基于科学数据。同时，对环境生物降解的科学解释也将成为进一步研究和开发MBDPs的基础。

目前已有研究通过扩增子测序和/或宏基因组分析的方法，探讨了MBDPs表面微生物群落的组成。然而，关于关键降解微生物在自然环境中的具体作用及其分子机制仍不清楚。特别是，在由多种微生物组成的微生物群落中，可能存在协同降解和/或协同代谢的现象。因此，需要进一步的研究来揭示这些过程。一种可靠的研究方法是分析环境微生物降解塑料群落中代表性微生物的降解能力。

为了分析微生物降解塑料，已经开发了多种方法。其中，生物需氧量（BOD）的测量是一种常用的方法，通过评估封闭系统中氧气的消耗或二氧化碳的释放来衡量微生物的呼吸活性。这种方法为塑料降解的微生物代谢提供了见解，并已被纳入一系列国际标准化组织（ISO）标准。然而，BOD的测量属于间接方法，因为市面上的BOD测试仪主要基于气体压差的测量。此外，这种方法的通量较低，耗时较长，且需要较大的空间。另一种常用的评估方法是测量在微生物接种或暴露于自然环境后塑料的重量损失。然而，这种方法反映的是塑料的分解过程，而不是直接的生物降解，因为它无法提供有关代谢和矿化方面的数据。基于琼脂板的微生物降解测试是一种用于筛选塑料降解微生物的多功能工具，但存在产生假阳性的风险。这是因为用于测试的乳化聚合物可能更容易被酶降解，而用于乳化的表面活性剂可能作为微生物生长的碳源。类似地，最近开发的MicroResp?系统也可以用于塑料生物降解的初步筛选，其基于二氧化碳释放的间接测量。在本研究中，我们提出了一个分析平台，用于安全检测塑料的微生物降解活性并解释相关的降解过程。该平台表明，海洋细菌在MBDPs的降解过程中涉及独特的降解模式。

本研究中使用的分析平台结合了气相色谱法（HS-GC）对二氧化碳释放的分析和液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）对微生物胞外降解和代谢过程中产生的寡聚物和单体的检测。这种方法为塑料生物降解的评估提供了系统工具，可用于高通量的材料生物降解性分析和对生物降解机制的生物学研究。HS-GC的测量结果与传统的基于琼脂板的乳化聚合物降解测试结果一致，表明该平台在评估塑料降解能力方面具有较高的可靠性。此外，通过LC-MS/MS检测寡聚物和单体，我们能够更全面地可视化降解过程的各个步骤，包括胞外酶降解和微生物吸收。这一方法不仅能够准确识别不同微生物的降解能力，还能揭示其代谢模式的差异。

本研究中分离的29种海洋细菌来自以MBDPs为富集培养基的海水样本。基于16S rRNA的分类学分析，除了kSA07和cSA01外，其余菌株均被归类为变形菌门（Pseudomonadota）的成员，属于α-变形菌纲或γ-变形菌纲。这表明在MBDPs的降解过程中，某些特定的细菌种类可能发挥重要作用。此外，本研究还通过基于琼脂板的测试评估了33种菌株的聚合物降解活性，其中乳化聚合物作为唯一的碳源。这种方法虽然能够筛选出具有降解能力的微生物，但存在一定的局限性，如可能产生假阳性结果，因此需要更精确的分析方法来验证其降解能力。

本研究提出的分析平台结合了HS-GC和LC-MS/MS两种技术，为塑料生物降解的评估提供了更全面的视角。HS-GC能够直接测量降解过程中产生的二氧化碳，而LC-MS/MS则能够检测微生物胞外降解和代谢过程中产生的寡聚物和单体。这种方法不仅能够准确识别不同菌株的降解能力，还能揭示其代谢模式的差异。通过该平台，我们能够更系统地研究MBDPs的降解过程，并进一步探讨其在海洋环境中的生物降解机制。此外，该平台还能够提高数据积累的效率，支持对微生物协同作用的深入研究。

研究还表明，不同菌株即使被归类为同一物种，其降解能力和代谢模式也可能存在显著差异。这提示在评估微生物降解塑料的能力时，不能仅依赖于物种分类，而应考虑其具体的代谢特征。此外，该平台还能够同时分析多个菌株的降解能力，从而提高通量。这一方法的高通量特性使其能够适用于大规模的材料生物降解性评估，同时为研究微生物在海洋环境中的协同作用提供了有力支持。

在海洋环境中，塑料的生物降解是一个复杂的过程，涉及多种微生物的协同作用。因此，进一步的研究对于揭示MBDPs在海洋环境中的生物降解机制至关重要。本研究提出的分析平台不仅能够提供更精确的降解数据，还能支持对微生物代谢模式的深入分析。通过该平台，我们可以更全面地理解塑料在海洋环境中的降解过程，并为未来的MBDPs研发提供科学依据。此外，该平台的高通量特性使其能够适用于大规模的材料生物降解性评估，为环境治理和可持续发展提供支持。

在研究过程中，我们还考虑了MBDPs的化学结构对其生物降解性的影响。一些聚合物，如聚（ε-己内酯）（PCL），其结构与天然聚合物相似，可能更容易被微生物降解。而另一些聚合物，如聚乳酸（PLA），其生物降解性可能仅限于陆地环境。因此，在评估MBDPs的生物降解性时，需要综合考虑其化学结构和微生物环境的影响。本研究中使用的分析平台能够提供更全面的数据，帮助研究人员更好地理解不同聚合物的生物降解特性。

此外，本研究还探讨了不同微生物在降解MBDPs过程中的协同作用。在自然生物膜（plastisphere）中，可能存在多种微生物的共同作用，从而加速塑料的降解。通过该平台，我们可以更清晰地识别这些协同作用，并进一步探讨其机制。这将有助于优化MBDPs的降解效率，并为未来的材料设计提供指导。同时，该平台的高通量特性使其能够适用于大规模的环境研究，为塑料污染治理提供科学支持。

本研究中使用的分析平台不仅能够提供更精确的降解数据，还能支持对微生物代谢模式的深入分析。通过该平台，我们可以更全面地理解塑料在海洋环境中的降解过程，并为未来的MBDPs研发提供科学依据。此外，该平台的高通量特性使其能够适用于大规模的材料生物降解性评估，为环境治理和可持续发展提供支持。通过进一步的研究，我们有望揭示更多关于微生物降解塑料的机制，并为减少海洋塑料污染提供有效的解决方案。