表塑性微藻对塑料降解的生化及细胞外机制：一种研究细胞响应与多尺度材料分析的新方法

《Bioresource Technology》：Biochemical and extracellular mechanisms of plastic degradation by epiplastic microalgae: A novel approach on cellular responses and multi-scale material analyses

微藻通过代谢调整降解HDPE和LDPE塑料，产生ROS导致氧化损伤，降解率达21-27%。摘要：

　　

安东尼·普拉卡什·雷乔伊·帕特里克 | 纳加拉杰·苏布拉马尼

印度泰米尔纳德邦金迪校区马德拉斯大学高等植物学研究中心

摘要

塑料因其独特的特性，在现代人类活动的各种应用中具有重要意义。然而，由于过度开发和城市扩张，它们对静水淡水生态系统构成了严重威胁。本研究重点关注能够通过改变细胞代谢来降解多种家用塑料的附着型微藻。附着型微藻的适应性反应表现为初级和次级代谢产物的变化，这些变化促进了活性氧（ROS）的产生，从而对塑料造成氧化损伤。通过测量高密度聚乙烯（HDPE）处理后塑料的拉伸强度和重量损失（减少了27±2%），以及低密度聚乙烯（LDPE）处理后塑料的重量损失（减少了21±2%），评估了其生物降解能力。使用傅里叶变换红外光谱分析法对经Stigeoclonium（PD1）、Uronema（PD2）和Nostoc（PD7）处理的塑料进行了分析，结果显示在处理后的HDPE中出现了CCH: CH伸缩（炔烃）、CN（脂肪胺）和CH wag –CH₂（卤代烷）等官能团的峰值。而在处理后的LDPE塑料中则出现了HCO: CH伸缩（醛）等官能团的峰值。气相色谱-质谱分析证实，经处理的微藻（PD2和PD7）释放出了十六酸、二十酸和环丙烷的脂肪酸甲酯。扫描电子显微镜和原子力显微镜的观察结果显示，塑料表面粗糙度从31.9纳米增加到了207纳米（每5微米²）。Uronema trentonense（GenBank- PX724094）通过过量产生色素和脂质释放ROS，进而激活类似脂肪酶的酶，显著降解了HDPE和LDPE塑料。

引言

全球范围内生产的塑料数量庞大，大多为一次性使用后被丢弃在环境中。据估计，一次性塑料产生的垃圾量已达120亿吨（Lalrinfela等人，2024年）。塑料因其对环境的负面影响而受到密切监测，尤其是微塑料对海洋生态系统的影响尤为严重。然而，最近的研究表明，湖泊和河流等淡水来源中的大型塑料污染也会成为塑料进入海洋的途径（Gallitelli和Scalici，2022年）。根据塑料的尺寸、形状、功能及其聚合物化学组成，对其在淡水系统中的命运进行了深入评估（Hoellein和Rochman，2021年）。淡水栖息地中的塑料通常包含微塑料和大型塑料，尺寸范围从1微米到5毫米及以上。大量研究表明，人体摄入和积累微塑料会对健康产生不良影响。此外，塑料本身释放或吸附的化学物质也会间接损害神经系统、肝脏、生殖系统和肾脏（Coffin等人，2022年）。如果将塑料作为大型塑料收集起来，是可以回收的，但现有的回收技术（如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）的回收方法效率较低，因为生化变化会影响回收塑料的稳定性，并使其在环境中变成有毒且难以处理的物质（Jung等人，2025年）。塑料可以通过光降解、热氧化、水解和生物降解等方式被降解。所有传统塑料的降解过程都会导致分子量降低，长链聚合物分解为寡聚物或单体。还有多种方法通过基于膜的过滤器和氧化机制去除淡水系统中的污染物（Di Luca等人，2025年）。焚烧和填埋可能会对生态系统造成威胁。

除了回收之外，还经常使用生物制剂来降解塑料，这些生物制剂会在塑料表面形成菌落或生物膜（Nava等人，2024年）。过去十年中，关于细菌、真菌和微藻在塑料球体上定殖的报道很多。一些细菌属，如Vibrio和Escherichia，能够形成生物膜（Wright等人，2020年）。最近的研究还发现，Penicillium和Aspergillus属真菌能够通过直接利用碳源降解浸入水中的聚苯乙烯（Philippe等人，2024年）。Fusarium、Trichoderma和Botryotinia等物种也能通过刺激应激反应机制降解聚乙烯和聚氨酯（Ibrahim等人，2024年）。这些微生物通过释放胞外聚合物物质（EPS）和酶（如Ideonella sakaiensis产生的PETase和MHETase，以及Pseudomonas属产生的酯酶和邻苯二甲酸酯水解酶）在塑料上形成生物膜。然而，这些酶主要针对PET塑料和生物塑料具有特异性。细菌和真菌会向环境中释放大量内毒素，这可能对人类健康构成严重威胁。微藻是海洋和淡水生态系统中塑料的常见定殖者，其多样性超过原核生物和真核真菌。Nava等人（2022年）进行的实验研究表明，微藻在自然环境中接种后30天内即可定殖，证实了它们也是塑料的主要定殖者之一。微藻不产生内毒素，也不需要外部碳源，因为它们可以进行光自养。类似地，绿藻和蓝细菌也具有通过EPS生产等机制定殖塑料基底的能力。EPS的大量产生被认为是由于塑料造成的应激反应所致，这种应激会对藻类产生遮蔽效应。一项针对Chlorella vulgaris的研究表明，在最佳生长条件下，EPS作为生物絮凝剂可有效捕获PE微塑料，效率高达84%。通过翻译后修饰产生的基因工程Chlamydomonas reinhardtii表现出对聚酯的降解能力（Dutra Molino等人，2025年）。绿色真核藻类Coccomyxa显示出降解HDPE、LDPE、PET、PP、PVC等塑料的潜力，其代谢和酶的产生能力较强（Joseph等人，2025年）。丝状微藻Uronema africanum在接种后30天内也能降解LDPE薄膜（Sanniyasi等人，2021年）。尽管微藻是多种塑料的有效降解者，但需要进一步研究EPS和酶的代谢过程，以明确塑料是通过机械破坏还是酶的作用被降解的。

本研究旨在揭示本土微藻的细胞生物学特性，这些微藻能有效降解多种家用塑料。通过生化分析研究了它们在应对压力时的代谢途径，通过观察结构形态来评估塑料的表面退化情况，并利用光谱和分析技术确认降解过程。这一降解机制有助于理解水解酶（如脂肪酶、酯酶和角质酶）在将复杂聚合物分解为简单单体中的作用。

研究区域和附着型微藻的采集

从印度泰米尔纳德邦金迪市的Rajakilpakkam湖采集了被密集且多样化的微藻污染的塑料（图1a–b），该湖泊的地理位置为北纬12° 55′ 10.1568″，东经80° 9′ 6.9516″，属于一个受塑料污染的城郊淡水静水系统，污染原因包括家庭和工业排放物以及土地侵占（Merugu和Seetharaman，2013年）。采用手动采样方法在1平方米范围内采集样本，然后转移到无菌聚乙烯容器中。

潜在附着型微藻的分离和筛选

使用划线平板法在多种塑料表面筛选微藻（图1b）。成功分离出了约50种微藻，包括绿藻门（Chlorophyceae）、硅藻门（Bacillariophyceae）和蓝藻门（Cyanophyceae）。在分离出的物种中，包括Stigeoclonium属（PD1）的分枝丝状细胞、Westiellopsis属（PD8）、Uronema属（PD2）的非分枝丝状细胞以及Nostoc属（PD7）的单独细胞等不同形态类型的微藻。

结论

附着型微藻的生物降解效率已在多种家用塑料上得到广泛评估。细胞代谢的显著增强促进了Uronema trentonense在塑料作用下产生的Chl a和Chl b的生成，这些物质在光解过程中会释放ROS。微藻定殖显著增加了HDPE（85.87 μg/mL）和LDPE（69.71 μg/mL）上的脂质产量。有趣的是

CRediT作者贡献声明

安东尼·普拉卡什·雷乔伊·帕特里克：撰写初稿、进行正式分析、数据整理。纳加拉杰·苏布拉马尼：验证结果、监督项目、开展研究、提出概念。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

致谢

主要研究者纳加拉杰·苏布拉马尼博士感谢“Anusandhan国家研究基金会（ANRF，印度政府）在“科学领域的赋权和公平机会（EEQ）”项目（文件编号：SERB/EEQ/2023/000206）下的财政支持。同时，我们也感谢马德拉斯大学高等植物学研究中心的主任和负责人提供的实验室设施。