南极嗜冷Psychrobacter菌株羧酸酯水解酶的基因组挖掘及其在聚酯塑料生物处理中的应用

为解决极地塑料污染治理难题，意大利国家研究委员会团队从南极特殊保护区分离出两株新型Psychrobacter菌株ASPA161_6/9，通过基因组注释发现其携带多种塑料降解酶基因（如PETase、lipase等），实验证实其分泌的冷活性酯酶（EC 3.1.1.1）和脂肪酶（EC 3.1.1.3）在35°C下对聚乙烯己二酸酯（PEA）降解率达65%，为低温环境塑料生物修复提供新策略。

　　

南极洲的极端环境不仅是生命的禁区，更是蕴藏特殊微生物资源的宝库。随着全球塑料污染加剧，极地生态系统也未能幸免——微塑料甚至出现在南极海冰和沉积物中。传统塑料降解技术难以在低温环境下发挥作用，而嗜冷微生物分泌的冷活性酶或将成为破解这一难题的关键。意大利国家研究委员会生物分子化学研究所（National Research Council of Italy, Institute of Biomolecular Chemistry）的Andrea Cattaneo团队在《Bioresource Technology》发表的研究，首次从南极罗斯海特殊保护区（ASPA 161）的沉积物中分离出两株具有聚酯降解潜力的Psychrobacter菌株，为低温环境塑料生物修复提供了新思路。

研究采用基因组测序（Illumina NovaSeq 6000）结合PlasticDB数据库注释，通过¹H NMR监测降解产物，并采用pNP酯类底物比色法测定酶活性。样本来源于2017/2018年意大利第33次南极科考期间采集的20米深海洋沉积物（74°42′ S, 164°07′ E）。

基因组挖掘揭示降解潜力
通过全基因组测序发现，菌株ASPA161_6携带5种脂肪酶基因（lip1-3）和1种酯酶基因（estB），而ASPA161_9则具有3种脂肪酶基因。PlasticDB注释显示两菌株均含有PETase（E值1.30E-78）和cutinase（E值1.3E-64）等聚酯降解相关基因，其中ASPA161_6还独特编码alkane-1-monooxygenase（EC 1.14.15.3），暗示其可能降解聚乙烯（PE）。

冷适应酶的特性表征
在20°C、0.5% NaCl、pH 8.0的最适条件下，菌株分泌的酯酶在35°C时活性最高（0.5-0.8 nmol pNP/mg蛋白），15°C仍保留50%活性。脂肪酶对pNP-dodecanoate的降解活性在25°C保持73.4%（ASPA161_6），展现典型嗜冷特性。

聚酯塑料降解实证
以聚乙烯己二酸酯（PEA, M_n 1000 g/mol）为模型底物，12天后¹H NMR显示降解率达55-65%，主要产物为adipic acid（化合物1）和ethylene glycol（化合物2）。通过EtOAc/MeOH(90:10)萃取获得含80%单体的极性组分，证实酶解通过末端酯键逐步水解实现。

该研究首次证实南极Psychrobacter菌株可通过多酶协同实现低温聚酯降解，其基因组中发现的PETase、cutinase等基因为合成生物学改造提供了靶点。值得注意的是，菌株分离自受严格保护的南极特殊区域（ASPA 161），暗示极地原生微生物可能已进化出应对塑料污染的代谢能力。未来通过异源表达或全细胞系统优化，这些冷活性酶有望应用于极地科考站废弃物处理或温带海洋塑料污染治理，为"白色污染"这一全球环境挑战提供基于自然解决方案（NbS）的新思路。