工程化微生物群落实现混合塑料升级回收：基于分工策略的协同生物转化

《Nature Communications》：Engineering microbial consortia for mixed plastic upcycling

为解决混合塑料废物化学复杂性及组分波动对生物制造的挑战，研究人员开发了基于分工策略的合成微生物群落RAMC，通过无过渡金属化学催化将消费后混合塑料解聚为含氧化合物，并由Rhodococcus jostii PET和Acinetobacter baylyi ADP1组成的稳定联盟实现完全降解，最终成功将真实混合塑料废物转化为番茄红素和微生物油脂，为塑料循环经济提供了创新解决方案。

　　

全球塑料年产量已从1950年的150万吨激增至2020年的3.67亿吨，这种"获取-制造-废弃"的线性塑料经济模式不仅消耗大量化石资源，还加剧了温室气体排放。由于合成聚合物难以自然降解，其产量增长与低效的末端管理相结合，已造成严重的全球塑料污染危机。特别值得注意的是，消费后混合塑料废物由于化学组成复杂且存在批次差异，难以作为生物制造的标准化原料，这成为实现塑料循环经济的核心瓶颈。

传统上，利用单一微生物宿主进行塑料升级回收存在明显局限：既要通过复杂的基因改造赋予其降解多种底物的能力，又要平衡目标产物合成途径的代谢负荷。更重要的是，单一菌株对环境扰动高度敏感，难以适应混合塑料解聚产物组分波动的特性。与此形成对比的是，微生物群落通过分工策略可实现更高的酶多样性和功能模块化，其物种间的正向相互作用和代谢途径的空间分隔特性，能显著增强系统对抗环境波动的鲁棒性。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，研究团队创新性地将无过渡金属化学催化与工程微生物群落相结合，开发出混合塑料升级回收新范式。关键技术方法包括：采用硝酸和对甲苯磺酸在温和条件下实现五种混合塑料（LDPE、HDPE、PP、PET、PS）的氧化解聚；通过分工策略构建由Rhodococcus jostii PET（RPET）和Acinetobacter baylyi ADP1组成的合成微生物联盟RAMC；利用代谢工程改造使联盟具备生产番茄红素和油脂的能力；通过灵敏度分析系统评估联盟对不同塑料组分的适应性。

组装包含两种专长菌的微生物群落

研究首先优化了混合塑料的化学解聚工艺，发现180℃下使用硝酸处理8小时，可将LDPE、HDPE、PP和PET的四元混合物有效解聚为小分子含氧化合物。其中PET解聚主要产生对苯二甲酸（TPA），而PS通过光催化氧化选择性地转化为更易生物利用的苯甲酸（BEN）。虽然RPET能完全利用单一脂肪族羧酸，但在混合底物条件下对C5-C7二羧酸的利用效率显著下降。相反，A. baylyi ADP1展现出优异的脂肪族羧酸降解能力，两者形成理想的互补关系。实验证实，按1:1比例构建的RAMC能完全降解模拟混合塑料解聚产物中的所有底物，而单一菌株培养均存在特定底物残留。

调控RAMC性能

通过系统调整SR（专长菌RPET）与SA（专长菌ADP1）的初始比例（9:1至1:9）和总碳浓度（125-750 mM），发现RAMC在碳浓度低于500 mM时能实现完全底物降解。在高渗透压条件下，增加SR比例可显著提升TPA降解效率，而提高SA比例则有利于C5二羧酸的利用。特别值得注意的是，在真实塑料解聚产物培养基中，RAMC表现出比模拟培养基更优异的适应性，几乎完全降解所有含氧化合物，证明其对抗实际废料中添加剂毒性的能力。

RAMC对混合塑料组分变化的敏感性分析

为评估RAMC对塑料组分波动的鲁棒性，研究设计了灵敏度分析实验。结果显示，RAMC对TPA（模拟PET变化）的耐受性最强，即使额外添加160 mM碳仍保持100%降解率。而面对BEN（PS）、AA+C4-C7 DCA（PE）或AA+LA（PP）的组分波动时，RAMC_9/1（SR:SA=9:1）表现出最优性能，降解率始终维持在90%以上。线性回归分析进一步揭示，TPA-生物量关系曲线的斜率最为陡峭（8.086），表明混合塑料流中PET的含量对RAMC的碳-生物量转化效率具有决定性影响。

工程化RAMC将消费后混合塑料升级回收为番茄红素和油脂

研究团队通过代谢工程强化，构建了能共同生产番茄红ene和油脂的RAMC-P系统。在SR-P中敲除crtL-b基因阻断番茄红素下游途径，同时异源表达甲羟戊酸（MVA）途径关键基因和NADP⁺-依赖苹果酸酶基因；SA-P则通过质粒过表达crtE、crtB和crtI三个番茄红素合成关键基因。在真实混合塑料解聚产物的基础培养基（BM）中，RAMC-P_9/1能生产1248 μg/L番茄红素和0.37 g/L总油脂，脂质含量达到细胞干重的26.3%。当模拟塑料组分变化时，添加10 mM TPA使产量提升至1550 μg/L番茄红素和0.64 g/L油脂，证明系统对原料波动具有良好的适应性。

这项研究通过21天的连续传代实验证实了RAMC系统的长期稳定性，其底物降解能力和种群平衡均保持不变。研究也指出未来需要进一步阐明脂肪族羧酸的降解途径，开发动态调控策略平衡内源脂肪酸合成与异源代谢途径的碳流分配，并验证基于混合塑料解聚产物的补料分批发酵工艺。

该工作首次展示了无过渡金属解聚策略与合成微生物群落相结合的混合塑料升级回收新范式，通过分工策略成功构建了能适应原料组分波动的稳定系统。相较于单菌株系统，RAMC在降解效率、鲁棒性和产物多样性方面均展现出显著优势，为实现塑料循环经济提供了创新性解决方案。随着多组学分析、群落通量分析和合成生物学工具的不断发展，这种工程微生物群落策略在废水处理、生物修复和木质纤维素增值等领域具有广阔应用前景。