聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微塑料在微生物燃料电池中的生物降解及其生物电化学升级转化

《World Journal of Microbiology and Biotechnology》：Biodegradation of Polyethylene Terephthalate (PET) microplastics in a Microbial Fuel Cell

　　

塑料在环境中持久存在数百年，释放出有害的微塑料和纳米塑料（MNPs），威胁生态系统并可能危害人类健康。本研究探讨了利用生物电化学方法对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微塑料进行生物降解与升级转化的可行性。在40天的实验周期内，研究人员评估了三种微生物燃料电池（MFC）系统：（i）Shewanella oneidensis单培养，（ii）Ideonella sakaiensis单培养，以及（iii）二者的共培养。S. oneidensis单培养实现了9.2%（w/w）的PET生物降解，以乙酸为代谢产物，功率密度为1.01 mW m^?2。I. sakaiensis单培养实现了35.2%（w/w）的PET生物降解，以乙酸和乙醇为代谢产物，功率密度为1.17 mW m^?2。共培养表现出中等的PET生物降解（16.4% w/w），产生乙酸和乙醇，功率密度较低，为0.202 mW m^?2。这些结果表明，Ideonella sakaiensis能够以PET微塑料为唯一碳源进行厌氧发酵，生成包括乙酸和乙醇在内的代谢产物，同时表现出生物电化学活性。值得注意的是，电活性细菌S. oneidensis也表现出与PET相关的生物降解，其证据包括PET质量损失和表面劣化，同时伴随乙酸形成和生物发电，凸显了其 simultaneously 生物降解和生物电化学升级转化PET微塑料的潜力。然而，与性能最佳的单培养相比，I. sakaiensis与S. oneidensis的共培养降低了PET生物降解和发电效率，提示种间竞争、拮抗相互作用或代谢失衡可能限制了协同活性。总体而言，本研究证明了MFC在PET微塑料同步生物降解和生物电化学升级转化方面的潜力，同时强调了微生物相互作用在决定过程效率中的重要性。

塑料污染是当前全球面临的重大环境挑战之一。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）因其优异的机械强度、化学稳定性和耐久性而成为应用最广泛的热塑性聚合物之一，但正是这些特性使其难以生物降解，废弃PET在环境中持久存在并逐渐破碎为微塑料，在陆地和水生生态系统中积累。微塑料和纳米塑料（MNPs）已在农作物、土壤生物和水生生物中被检出和摄取，人体主要通过摄入和吸入暴露，已在饮用水、胎盘、肝脏和脑组织中发现微塑料，引发了对其系统性和神经性健康效应的担忧。与此同时，PET废弃物本身是一种丰富的碳资源，具有通过生物 valorisation 转化为增值化学品、材料和生物能源的潜力。微生物和酶法PET解聚的研究进展使生物回收成为传统回收技术的有前景的可持续替代方案，但聚合物降解仍是整合微生物降解与升级转化过程的主要限速步骤，更广泛的应用仍受PET结晶度、聚合物链可及性和天然PET降解酶催化效率等因素制约。

微生物燃料电池（MFC）提供了一种将微生物代谢与能量回收耦合的生物电化学平台。在MFC中，微生物氧化可利用的有机底物，通过胞外电子传递（EET）过程将代谢产生的电子转移至阳极，通过外电路产生电流。Shewanella oneidensis MR-1因其兼性厌氧代谢和表征充分的EET途径而被选为电活性伙伴。Ideonella sakaiensis 201-F6^T是一种表征充分的PET降解细菌，通过PETase和MHETase的序贯作用解聚PET，且为兼性厌氧菌，能够在厌氧条件下降解PET并将PET衍生碳发酵为乙酸和乙醇等代谢产物。Kalathil等（2022）通过将I. sakaiensis与Geobacter sulfurreducens共培养，展示了厌氧PET发酵耦合生物发电的概念验证，但I. sakaiensis对MFC中电化学活性和EET的直接贡献仍 largely 未被探索。本研究以S. oneidensis MR-1作为I. sakaiensis的替代电活性伙伴，设计了共培养体系以探究互补微生物功能——I. sakaiensis的PET解聚和发酵与S. oneidensis的EET——能否将PET微塑料生物降解与生物发电耦合。同时设置单独的单培养MFC以确定每种微生物的个体贡献。与常规MFC研究使用易代谢共底物不同，本研究不额外提供碳源，以最小化混杂效应。研究旨在确定：（i）I. sakaiensis能否将厌氧PET生物降解和发酵与可测量的电化学活性耦合；（ii）S. oneidensis能否在发电的同时贡献于PET相关的生物降解；（iii）两种微生物的共培养能否通过互补代谢活动增强PET降解和能量回收。

研究人员采用的关键技术方法包括：以非晶态PET微塑料（60 mg，4×4 mm，0.25 mm厚）为唯一碳源，在H型双室MFC中运行40天，阳极室为碳酸氢盐缓冲培养基（BBM），阴极室为0.1 M铁氰化钾溶液，两室由CMI 7000阳离子交换膜分隔，碳纤维电极（25 cm²）通过2.2 kΩ外电阻连接；采用UATR-FTIR分析PET官能团变化，SEM观察表面形貌，结晶紫染色法测定生物膜形成；通过重量损失法、可溶性化学需氧量（sCOD）测定和GC-FID分析代谢产物（乙酸和乙醇）；通过连续电压监测、功率密度曲线和极化曲线评估电化学性能。实验设非生物对照、I. sakaiensis单培养、S. oneidensis单培养和共培养四组，每组四重复。菌株I. sakaiensis 201-F6^T（NBRC 110686）和S. oneidensis MR-1（NCIMB 14063）来源于威斯敏斯特大学菌种保藏中心。

研究结果如下：

PET微塑料表征：FTIR分析显示，经40天MFC孵育后，微生物处理组较非生物对照组表现出更明显的光谱变化。I. sakaiensis单培养在~1725 cm^?1（羰基）和~1248/1100 cm^?1（酯相关C-O）区域的变化以及~3282 cm^?1的出现/改变，表明羰基、酯基和羟基相关表面官能团的修饰，与微生物PET解聚一致。S. oneidensis MR-1处理组也表现出独特的光谱特征，~1248和~1101 cm^?1酯相关区域的改变提供了PET表面修饰的补充证据。共培养显示~1714、1240、1116、1094和725 cm^?1的显著吸收特征，表明酯羰基和C-O/C-O-C相关区域的实质性修饰以及芳香族相关结构环境的改变。SEM分析显示，微生物处理组较非生物对照组表现出更显著的表面劣化。共培养处理组呈现明显的凹坑、裂隙和层状侵蚀模式；S. oneidensis处理组显示局部凹坑和裂纹以及大量表面附着的生物膜生物量和细胞碎片；I. sakaiensis处理组同样显示孔洞、凹坑和裂纹。各微生物处理组均可见EPS样物质。生物膜测定显示，I. sakaiensis的生物膜生物量（A₅₉₅=0.35）高于共培养（0.27）和S. oneidensis（0.10），表明I. sakaiensis对PET表面的定殖能力较强，而共培养中较低的生物膜生物量可能反映种间对PET表面附着位点的竞争。

MFC中的生物降解评估：重量损失法显示，40天后I. sakaiensis单培养的PET质量损失最高（35.2%），其次为共培养（16.4%）和S. oneidensis单培养（9.16%），非生物对照仅为2.57%。sCOD测定显示，非生物对照最低（44.85 mg/L），所有微生物处理组均显著升高，以I. sakaiensis单培养最高（433.36 mg/L），其次为S. oneidensis（328.8 mg/L）和共培养（303.15 mg/L）。GC-FID分析检测到S. oneidensis单培养、I. sakaiensis单培养和共培养中均存在乙酸，而乙醇仅在I. sakaiensis单培养和共培养中检出。乙酸浓度在S. oneidensis单培养中第30天达到最大值0.04 mg mL^?1，在I. sakaiensis单培养中第20天达到0.12 mg mL^?1，共培养中第40天累积至0.20 mg mL^?1。乙醇在I. sakaiensis单培养中第20天达到峰值0.09 mg mL^?1，第40天降至0.04 mg mL^?1；共培养中第30天逐渐增至0.09 mg mL^?1，第40天略降至0.07 mg mL^?1。

电化学性能分析：电压输出随时间变化显示，非生物对照从91.5 mV逐渐降至56.5 mV；S. oneidensis和I. sakaiensis单培养初始电压较高（分别为430.33 mV和418 mV），但第40天分别大幅降至28 mV和16.5 mV；共培养电压从167 mV降至50.5 mV，表现出相对更持久的电压曲线。功率密度曲线显示，I. sakaiensis单培养最大功率密度最高（1.17 mW m^?2，对应电流密度21.64 mA m^?2），其次为S. oneidensis单培养（1.01 mW m^?2，9 mA m^?2），共培养显著较低（0.202 mW m^?2，4 mA m^?2）。极化曲线显示，非生物对照电化学性能最低（从86.2 mV降至0.05 mV，5 mA m^?2）；S. oneidensis单培养从235.7 mV降至0.2 mV（22.5 mA m^?2）；I. sakaiensis从206.9 mV降至0.4 mV（42.5 mA m^?2）；共培养从153.9 mV降至0.1 mV（1 mA m^?2）。

讨论部分总结：本研究证明了在以PET为唯一供给碳源的MFC中，PET相关的生物降解、代谢产物形成和生物电化学活性可同时发生。I. sakaiensis较高的PET降解与其已确立的PETase-MHETase介导的水解活性以及厌氧PET发酵产乙酸和乙醇的能力一致。值得注意的是，该单培养也产生了可测量的电化学活性，最大功率密度达1.17 mW m^?2，这与Kalathil等（2022）使用G. sulfurreducens作为外电菌的系统不同；由于I. sakaiensis并非已确立的外电菌，此处观察到的电化学活性代表一种需进一步机制研究表征的现象。野生型S. oneidensis MR-1也表现出意外的PET相关响应，包括9.16%的质量损失、乙酸形成和1.01 mW m^?2的最大功率密度，以及FTIR和SEM证据支持的PET表面修饰；然而，野生型菌株的PET降解尚未确立，本研究未表征PET活性酶，也未直接追踪PET衍生碳进入乙酸，因此这些发现被保守地解释为PET相关修饰和乙酸形成的证据。共培养未产生预期的协同响应，尽管乙酸和乙醇持续产生，但PET质量损失（16.4%）和最大功率密度（0.202 mW m^?2）均低于性能最佳的单培养，可能反映对PET表面定殖或营养的竞争、生物膜组织改变、代谢失衡或抑制性种间相互作用。总体而言，互补的重量法、FTIR、SEM、生物膜、sCOD、GC-FID和电化学分析表明，I. sakaiensis和S. oneidensis在MFC条件下对PET表现出不同的响应。主要贡献包括：观察到I. sakaiensis相关的电化学活性、野生型S. oneidensis的PET相关修饰和乙酸形成，以及二者共培养中PET降解和发电的降低。本研究证明了MFC作为PET微塑料生物修复与同步生物发电整合平台的潜力。未来需要同位素示踪、酶学和胞外电子传递（EET）研究以阐明PET转化、代谢产物形成和电子传递的机制。

研究结论翻译：总体而言，本研究证明了MFC在PET微塑料同步生物降解和生物电化学升级转化方面的潜力，同时强调了微生物相互作用在决定过程效率中的重要性。