海洋源真菌Aspergillus terreus光降解聚乙烯的矿化作用研究

研究人员针对海洋环境中塑料污染治理难题，创新性地探究了海洋源真菌Aspergillus terreus对光降解聚乙烯(PE)的生物矿化能力。通过13C标记示踪技术，证实该真菌可矿化UV处理的PE（22天矿化率0.24%），NanoSIMS和脂肪酸同位素分析揭示了PE碳源的有限同化。该研究首次系统阐明了光降解-生物降解耦合机制在海洋PE降解中的关键作用，为发展基于真菌的生物修复策略提供了理论依据。

　　

全球每年约有50万吨塑料垃圾进入海洋，其中聚乙烯(PE)因其稳定的碳碳骨架结构成为最难降解的塑料类型之一。传统机械和化学降解方法存在效率低、二次污染等问题，而生物降解因其环境友好特性备受关注。然而，海洋环境中塑料生物降解的微生物过程与动力学机制长期缺乏系统研究，特别是真菌这类具有强大酶系统的降解者鲜有报道。更关键的是，自然界中塑料降解往往需要光化学与生物过程的协同作用，但这种耦合机制的科学基础尚未阐明。

荷兰皇家海洋研究所(NIOZ)与乌得勒支大学的研究团队在《Total Environment Microbiology》发表重要成果，首次揭示了海洋源真菌Aspergillus terreus通过光降解-生物降解耦合途径矿化PE的分子机制。研究人员采用¹³C标记PE结合微宇宙培养系统，通过GC-IRMS连续监测碳同位素分馏，结合NanoSIMS纳米级同位素成像和脂肪酸特异性同位素分析等前沿技术，构建了从宏观矿化速率到微观碳同化的完整证据链。

关键技术方法
研究团队从北太平洋垃圾带分离获得A. terreus野生菌株，建立包含UV预处理组（5天UV-a/b辐射）和原始PE对照组的微宇宙系统。通过¹³C-PE示踪实验（22天短期/102天长期），采用气相色谱(GC)和同位素比值质谱(IRMS)定量CO₂释放及δ¹³C值变化，计算净生物降解量。NanoSIMS 50L仪器实现单细胞尺度¹³C分布可视化，配合脂肪酸甲基酯(FAME)的GC-C-IRMS分析揭示碳流向。

主要研究结果
3.1 真菌在PE膜表面的生长
扫描电镜显示A. terreus能有效定植UV处理和原始PE膜表面，但仅在UV处理组观察到膜表面出现圆形蚀坑，证实光降解显著提升PE的生物可及性。

3.2 UV处理与未处理PE的降解实验
同位素示踪显示：UV-PE组δ¹³C-CO₂值22天内从10‰升至400‰，净矿化量达2.57μg（占总量0.24%），符合伪零级动力学特征；而原始PE组102天内无显著降解。计算得出降解速率为57.91μg/g_dw/月，与已报道的Parengyodontium album等海洋真菌相当。

3.3 PE源碳的生物同化
NanoSIMS揭示¹³C优先分布于菌丝边缘（δ¹³C +31.4‰）和分生孢子（+40.1‰），菌丝主体未显著富集。脂肪酸分析显示次要组分（如aiC15:0）δ¹³C高达170‰，而主要脂肪酸（C16:0等）仅轻微富集，表明PE碳主要进入能量代谢而非生物合成。

结论与意义
该研究首次证实A. terreus通过"光降解先行-生物降解跟进"的级联反应降解海洋PE：UV辐射引发聚合物断链和氧化（形成羰基/羟基），真菌随后利用这些活性位点进行酶促降解。这种耦合机制解释了为何表层海水塑料更易降解，也为设计基于真菌的塑料污染修复方案提供了关键参数——最佳降解效率需控制UV预处理强度与生物降解时间的平衡。

值得注意的是，相比细菌和酵母，丝状真菌展现独特的碳分配策略：将有限同化的PE碳优先分配给孢子形成（生存适应）而非菌体生长。这一发现为理解海洋塑料圈微生物的生态策略提供了新视角。未来研究可聚焦于：① 解析A. terreus降解酶系（如过氧化物酶）的分子机制；② 开发UV-真菌联合处理工艺；③ 评估该过程对海洋微塑料生成的潜在影响。