《International Biodeterioration & Biodegradation》：Low Density Polyethylene (LDPE) biodegradation efficiency of
Bacillus pacificus SBAA07 isolated from Sundarbans mangrove sediments
编辑推荐：
低密度聚乙烯降解|红树林微生物|生物降解机制|ATR-FTIR分析|Bacillus pacificus SBAA07
苏米特·班纳吉（Sumit Banerjee）| 苏巴吉特·比苏伊（Subhajit Bisui）| 西达尔思·桑卡尔·拉姆（Shidharth Sankar Ram）| 艾薇·卡努ngo（Ivy Kanungo）| 阿努利皮·艾奇（Anulipi Aich）
印度西孟加拉邦卡利亚尼（Kalyani）卡利亚尼大学生态研究系与国际生态工程中心（ICEE）
摘要
低密度聚乙烯（LDPE）在环境中的污染对生态系统和人类健康构成了严重威胁，因此人们开展了大量研究，探索利用化学和生物方法的有效修复策略。其中，从多种栖息地中分离出的细菌进行生物修复显示出相当大的潜力。最新研究表明，红树林生态系统的微生物群在极端和压力环境下可能具有更强的塑料降解能力。本研究旨在从印度孙德尔本斯（Sundarbans）红树林特有的压力沉积物中分离并鉴定出具有强降解LDPE能力的细菌。与以往主要使用传统富集方法筛选微生物的研究不同，本研究采用了基于脂肪分解活性的靶向筛选策略。本研究分离并鉴定了Bacillus pacificus SBAA07菌株（NCBI登录号：PQ626050）。与通常需要预处理的陆地菌株不同，该菌株无需任何预处理即可有效定殖并降解LDPE薄膜，在42天内使薄膜干重减少了13.08% ± 0.01%。通过多种分析技术全面研究了其生物降解机制。衰减全反射-傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱显示聚合物发生了氧化，形成了羰基（1718 cm?1）和羟基；拉曼光谱进一步表明处理后的薄膜表面可能发生了生物分子修饰。此外，原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）的微观分析显示，处理后的薄膜表面出现了明显的地形变化，包括坑洞、裂纹和广泛的侵蚀，而对照组的薄膜表面较为光滑。这些发现共同表明Bacillus pacificus SBAA07是一种有前景的微生物物种，可用于未来的塑料生物修复，并强调了红树林生态系统作为新型生物催化剂的重要价值。
引言
塑料使用的急剧增加及其不当处理导致了当前人为时代前所未有的环境危机。其中主要成分之一就是低密度聚乙烯（LDPE）。LDPE是一种由单体乙烯（C2H4）制成的热塑性聚合物。然而，由于其高度稳定的碳-碳（C-C）主链、高疏水性、非极性以及缺乏天然降解酶，LDPE成为一种极难清除的污染物，可在环境中持续存在数百年（Andrady, 2011）。它分解成微塑料对生态系统和人类健康构成严重威胁（Geyer et al., 2017）。最近的研究甚至发现牛奶中存在微塑料，表明其对人类和动物的直接影响（Sarojini et al., 2025）。传统的处理方法如填埋或焚烧效果不佳，常常会导致二次污染。虽然一些最新策略探索了将消费后塑料转化为可持续聚合物复合材料用于工业应用（Soni et al., 2024），但这些塑料在自然生态系统中的积累仍需要有效的生物处理方法（Gill et al., 2023）。
像LDPE这样的不可水解聚合物的降解分为两个复杂步骤。第一步也是限速步骤是长疏水烃链的生物断裂，这通常通过非生物或生物氧化过程实现。非生物因素（如紫外线辐射和热量）和生物因素都会在聚合物主链上引入羰基（C=O）和羟基（-OH）官能团（Albertsson et al., 1987）。这一氧化步骤至关重要，它降低了聚合物的疏水性，为酶的攻击创造了潜在的脆弱位点（Santo et al., 2013）。随后，这些位点容易被水解酶攻击，从而进一步降解聚合物链。在第二步中参与的水解酶中，脂肪酶（三酰基甘油酰水解酶，EC 3.1.1.3）被确认为关键酶。脂肪酶是一类能自然催化脂质分解的胞外水解酶（Carniel et al., 2017）。脂肪酶的活性位点通常是疏水的，这有助于其与LDPE疏水表面的紧密结合（Danso et al., 2019）。还有假设认为脂肪酶可以作用于初始氧化过程中形成的酯类键，从而帮助将聚合物主链分解为较小的寡聚物和单体（Carniel et al., 2017）。
已知许多微生物在其代谢过程中会分泌脂肪酶，这些酶可以促进LDPE的降解。近年来，微生物生物修复作为一种可持续且有效的塑料废物管理方法受到了广泛关注（Restrepo-Flórez et al., 2014）。已鉴定出多种细菌（如Bacillus sp.（Hadad et al., 2005）、Pseudomonas sp.（Balasubramanian et al., 2014）和真菌（如Aspergillus sp.（Gajendiran et al., 2016）能够定殖并降解塑料表面（表1）。这些微生物通过分泌脂肪酶、漆酶、水解酶和氧化还原酶等胞外酶来启动降解过程，帮助将复杂的聚合物结构分解为更小的分子，这些分子可进一步被吸收为碳和能量来源（Ghatge et al., 2020）。然而，许多报道的微生物菌株依赖于紫外线照射或热氧化等非生物预处理才能开始降解，或在自然环境条件下降解速度较慢，这凸显了开发更强大且适应性更强的生物催化剂的需求。
红树林生态系统为其中的植物、动物和微生物群提供了极端恶劣的环境条件。红树林生态系统的微生物群已经很好地适应了各种压力（Suganthi et al., 2013）。印度西孟加拉邦孙德尔本斯红树林的沉积物就是一个这样的环境，其中栖息着具有独特代谢能力的适应压力环境的微生物（Hazen and Timmis, 2010）。因此，本研究选择孙德尔本斯红树林作为分离高效LDPE降解微生物的潜在栖息地。红树林微生物群具有显著的塑料降解潜力（Danso et al., 2019），但这一能力尚未得到充分研究，相关知识仍存在空白（Restrepo-Flórez et al., 2014）。我们假设，在红树林生态系统中，长期进化压力促使微生物群，尤其是Bacillus属菌株，进化出了能够克服LDPE疏水性的表面活性酶。已有研究记录了几种Bacillus属菌株（如B. subtilis（Balasubramanian et al., 2014）、B. amyloliquefaciens（Hadad et al., 2005）和B. tropicus（Samanta et al., 2020）具有LDPE降解能力，但这些研究主要针对陆地或堆肥来源的菌株。早期研究的一个主要局限性是研究人员使用了多种预处理方法来提高降解效率。然而，栖息在红树林中的B. pacificus被认为具有更强的耐压能力，因此可能无需预处理即可高效降解顽固聚合物。本研究旨在探究从孙德尔本斯红树林沉积物中分离出的Bacillus pacificus SBAA07的LDPE降解潜力，并揭示其可能的生物降解机制。
本节概述了用于分离、鉴定和评估红树林来源细菌菌株LDPE降解潜力的综合实验框架。所有使用的化学品纯度均为99%，属于分析级（AG），购自TM Media Pvt. Ltd.、HiMedia Laboratories Pvt. Ltd.、Spectrochem Pvt. Ltd.和Labogens Fine Chem Industry Pvt. Ltd.
以下小节介绍了该菌株的分类鉴定及其生长情况的定量评估。这些小节还讨论了该菌株的LDPE降解效率以及通过光谱和显微镜分析获得的聚合物生物降解的定性证据。
本研究描述了从孙德尔本斯红树林沉积物中分离并鉴定出Bacillus pacificus SBAA07，发现它是一种新型且高效的低密度聚乙烯（LDPE）降解菌。与陆地菌株不同，该菌株利用了红树林生态系统的独特适应性，无需任何预处理即可有效定殖并降解疏水性LDPE薄膜。其强大的生物降解潜力通过显著的重量减少得到了证明。
苏米特·班纳吉（Sumit Banerjee）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、实验设计、数据分析、数据管理。
苏巴吉特·比苏伊（Subhajit Bisui）：实验设计、数据分析、数据管理。
西达尔思·桑卡尔·拉姆（Shidharth Sankar Ram）：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。
艾薇·卡努ngo（Ivy Kanungo）：验证、监督、资源协调。
阿努利皮·艾奇（Anulipi Aich）：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法设计、实验设计、资金筹集、概念构思。
本研究得到了UGC-DAE CSR（大学拨款委员会 – 原子能部，科学研究联盟）（拨款编号：CRS/2022-23/02/807）的资助，第二作者的青年研究奖学金（JRF）由印度政府生物技术部（DBT）提供。
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
作者衷心感谢加尔各答Bhairab Ganguly学院（700056）、印度政府生物技术部（DBT）以及UGC DAE科学研究联盟（Indore中心和Kolkata中心）提供的研究资助和仪器支持，同时也感谢UGC DAE科学研究联盟的科学家Ujjal Das博士。所有作者还感谢加尔各答工程与皮革学院的院长。
