深入理解溴化阻燃剂的神经毒性：将人类神经类器官与多组学技术相结合

《Journal of Hazardous Materials》：Advanced understanding of the neurotoxicity of brominated flame retardants: integrating human neural organoids with multi-omics

餐蛾幼虫可降解聚丁二酸丁二酯（PBS）并通过肠道微生物（假单胞菌属）介导的酯水解实现分子量分布变化，为生物降解塑料提供新策略。

　　这项研究聚焦于一种名为聚己二酸丁二醇酯（Polybutylene succinate, PBS）的生物降解性脂肪族聚酯材料。PBS作为一种由石油基原料合成的生物降解塑料，因其较低的熔点（115℃）以及良好的热稳定性和机械性能，在包装材料、农用薄膜、渔网以及生物医学等领域得到了广泛应用。特别是在食品包装行业，PBS在过去的二十年中受到了越来越多的关注，并被公认为一种可持续的包装材料。同时，由于其被认证为可堆肥材料，PBS也被视为具有环保潜力的塑料之一。

然而，尽管PBS具备一定的生物降解性，其在自然条件下的降解速度仍然较慢，这限制了其在环境可持续性方面的表现。因此，寻找能够有效降解PBS的生物途径，尤其是基于微生物或生物体的消化机制，成为解决塑料污染问题的重要方向。本研究的重点在于探索一种常见的昆虫——面包虫（*Tenebrio molitor*）在食用PBS后，其肠道微生物在降解过程中的作用。通过实验，研究者发现面包虫在不同的PBS与麦芽混合比例下，其生长状态和存活率存在显著差异。其中，PBS:bran（2:8）的比例表现出最佳的生长稳定性和最高的存活率（79.39 ± 11.06%），这表明在适当条件下，面包虫能够有效地摄入并部分降解PBS。

在实验过程中，研究者通过残留PBS的凝胶渗透色谱（Gel Permeation Chromatography, GPC）分析，发现PBS在面包虫粪便中呈现出有限的降解（Limited Depolymerization, LD）模式。具体来说，PBS的数均分子量（Number-average molecular weight, Mn）和重均分子量（Weight-average molecular weight, Mw）分别增加了63.76%和71.14%，这表明在降解过程中，部分聚合物链被断裂，而降解后的碎片则可能发生了再聚合。此外，通过傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR）和核磁共振（Nuclear magnetic resonance, NMR）分析，研究者确认了PBS在消化过程中酯键的断裂以及羟基的形成。这些化学变化不仅揭示了PBS降解的分子机制，也为理解其在生物体内的分解过程提供了新的视角。

研究还进一步探讨了面包虫肠道中降解PBS的微生物种类。结果显示，*Pseudomonas aeruginosa*（铜绿假单胞菌）是参与PBS降解的关键菌株，其通过脂肪酶和角质酶介导的酯水解作用，对PBS的分解起着重要作用。这一发现不仅表明PBS的降解能力与肠道微生物密切相关，也暗示了通过调控微生物组成，可以进一步提高PBS的降解效率。此外，*Pseudomonas aeruginosa*在降解过程中可能释放出甲烷，这为实现塑料废弃物的可持续能源转化提供了新的思路。

在更广泛的背景中，全球塑料生产量在2019年达到了3.68亿吨，并预计在未来二十年内翻倍。随着塑料使用量的增加，塑料废弃物的处理问题也日益突出。目前，全球约有63亿吨塑料废弃物被产生，其中只有9%被回收，12%被焚烧，而高达79%的塑料废弃物被填埋。然而，焚烧塑料所产生的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等有毒物质会扩散到大气中，造成空气污染。相比之下，填埋塑料则可能导致塑料添加剂如增塑剂和稳定剂渗入周围环境，污染土壤系统。这些污染物可能通过地下水传播，或被植物和动物吸收，最终通过食物链积累，对生态系统和人类健康造成潜在威胁。

为了应对这些问题，人们开始关注生物降解性塑料的应用。生物降解性塑料可以在有氧或无氧条件下被分解，其中有氧降解已经得到了较为深入的研究，而无氧降解的研究仍处于起步阶段。在无氧降解过程中，会生成沼气（如甲烷、二氧化碳和硫化氢），这些气体可以作为替代化石燃料的能源资源，具有经济和环境双重优势。因此，探索在无氧条件下分解塑料的微生物，有助于实现塑料废弃物的资源化利用，同时减少对环境的污染。

近年来，研究人员发现土壤中的微生物，如*Bacillus licheniformis*（地衣芽孢杆菌）、*Actinomadura keratinocytica*（角质芽孢杆菌）和*Amycolatopsis thailandensis*（泰国放线菌），能够降解多种生物塑料，包括聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）和PBS。然而，这些微生物在无氧环境下的降解能力仍然鲜有报道。因此，研究者开始关注基于昆虫肠道微生物的塑料降解机制，试图通过这一途径找到更高效的降解方法。在这一背景下，*Tenebrio molitor*（面包虫）及其幼虫被选为研究对象，因为它们已被证明能够降解多种塑料材料，如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、PLA、PBAT以及口罩等。

实验中，研究者通过观察面包虫在不同PBS与麦芽混合比例下的生长趋势，发现PBS:bran（2:8）的比例不仅提高了面包虫的存活率，还维持了其稳定生长。这表明，在适当的营养条件下，面包虫能够有效地利用PBS作为食物来源，同时通过其肠道微生物实现对PBS的降解。此外，研究者通过分析面包虫粪便中的残留PBS，发现其分子量的变化，这表明在降解过程中，部分链被断裂，而降解后的碎片可能发生了再聚合。这一现象可能与肠道微生物的代谢活动有关，也可能受到面包虫自身消化酶的影响。

在分子层面，研究者利用FT-IR和NMR技术分析了PBS在消化过程中的化学变化。结果显示，PBS中的酯键被断裂，而新的羟基则被形成。这一过程不仅揭示了PBS降解的化学机制，也表明在生物降解过程中，化学键的断裂和新官能团的形成是关键的反应步骤。同时，研究者通过培养和分离肠道微生物，发现*Pseudomonas aeruginosa*是主要的降解菌株。这一发现为理解PBS的降解机制提供了新的依据，并表明通过调控肠道微生物的组成，可以优化PBS的降解效率。

研究还探讨了PBS降解的环境意义。通过面包虫的降解作用，PBS可以被转化为能量和资源，从而减少其对环境的负担。此外，*Pseudomonas aeruginosa*在降解过程中释放的甲烷可能成为一种可再生能源，这为实现塑料废弃物的资源化利用提供了新的可能性。因此，这一研究不仅有助于解决塑料污染问题，也为开发基于生物降解的可持续解决方案提供了科学支持。

在研究方法上，实验采用了多种分析技术，包括GPC、FT-IR和NMR，以全面评估PBS的降解过程。这些技术能够提供关于聚合物链断裂程度、分子量变化以及化学键断裂的详细信息。此外，研究者还通过微生物培养和分离技术，确定了参与PBS降解的主要菌株。这些方法的综合应用，使得研究能够更准确地揭示PBS在生物降解过程中的分子和微生物机制。

在实验设计上，研究者设置了六种不同的喂养条件，包括饥饿、PBS单独喂养、PBS:bran（8:2）、PBS:bran（5:5）、PBS:bran（2:8）以及麦芽单独喂养。通过每天观察面包虫的生长状态，并在第六天和第十二天进行拍照记录，研究者能够系统地分析PBS与麦芽混合比例对面包虫生长和存活的影响。实验结果显示，PBS:bran（2:8）的比例不仅提高了面包虫的存活率，还维持了其稳定的生长状态，这表明在适当条件下，PBS可以作为面包虫的重要营养来源。

此外，研究者还对PBS的降解效率进行了定量分析。通过测定残留PBS的分子量变化，研究者发现其数均分子量和重均分子量分别增加了63.76%和71.14%。这一结果表明，在降解过程中，部分链被断裂，而降解后的碎片可能发生了再聚合。这种现象可能与肠道微生物的代谢活动有关，也可能受到面包虫自身消化酶的影响。因此，研究者推测，PBS的降解过程可能是一个复杂的生物化学反应，涉及多种酶和微生物的协同作用。

研究的另一个重要发现是，*Pseudomonas aeruginosa*在PBS的降解过程中起着关键作用。这一菌株能够通过脂肪酶和角质酶介导的酯水解作用，将PBS分解为更小的分子，从而促进其降解。此外，*Pseudomonas aeruginosa*的代谢活动可能释放出甲烷，这为实现塑料废弃物的资源化利用提供了新的思路。因此，这一研究不仅有助于理解PBS的降解机制，也为开发基于微生物的降解技术提供了科学依据。

在环境影响方面，研究者指出，通过面包虫的降解作用，PBS可以被转化为能量和资源，从而减少其对环境的负担。此外，*Pseudomonas aeruginosa*在降解过程中释放的甲烷可能成为一种可再生能源，这为实现塑料废弃物的资源化利用提供了新的可能性。因此，这一研究不仅有助于解决塑料污染问题，也为开发基于生物降解的可持续解决方案提供了科学支持。

在实际应用方面，这项研究为生物降解塑料的处理和资源回收提供了新的策略。通过利用昆虫和其肠道微生物的降解能力，可以实现塑料废弃物的高效处理，同时减少对环境的污染。此外，这一研究也为开发基于微生物的降解技术提供了科学依据，有助于推动塑料废弃物的资源化利用。因此，这项研究不仅具有理论价值，也具有重要的现实意义。

在研究的未来方向上，研究者建议进一步探索其他昆虫和其肠道微生物在塑料降解中的作用，以寻找更高效的降解方法。此外，研究者还建议对PBS的降解过程进行更深入的分析，以确定其降解的分子机制和微生物作用的细节。这些研究不仅有助于解决塑料污染问题，也为开发基于生物降解的可持续解决方案提供了科学支持。

总之，这项研究通过探索面包虫在食用PBS后，其肠道微生物在降解过程中的作用，揭示了PBS的降解机制，并为生物降解塑料的处理和资源回收提供了新的策略。研究结果表明，通过调控肠道微生物的组成，可以提高PBS的降解效率，同时减少其对环境的负担。因此，这项研究不仅具有重要的科学价值，也为解决塑料污染问题提供了新的思路和方法。