《Journal of Hazardous Materials Advances》：Enzymatic depolymerization of polyethylene terephthalate by Glutamicibacter mysorens ASR 14: Kinetics and mechanisms
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摘要：聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)是最广泛使用的塑料之一，对生态系统和人类健康构成风险。本研究通过孵育实验考察了从垃圾填埋场土壤分离得到的菌株——迈索尔谷氨酸杆菌(Glutamicibacter mys
摘要：聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)是最广泛使用的塑料之一，对生态系统和人类健康构成风险。本研究通过孵育实验考察了从垃圾填埋场土壤分离得到的菌株——迈索尔谷氨酸杆菌(Glutamicibacter mysorens) ASR 14对瓶级PET的降解作用。微生物降解处理180 d后导致31.7 %的重量损失，半衰期(half-life)为326.8 d，处理组PET密度降低20.2 %。从第30天开始的微裂纹顺序表面侵蚀发展至第180天的广泛孔隙化；同时PET芳香族单体对苯二甲酸(terephthalic acid, TPA)浓度由第30天的0.437 mM升至第60天的0.456 mM，随后在第180天降至0.208 mM。酶催化氧化反应介导了PET降解，使用对硝基苯基酯底物检测到胞外水解活性。这些酶不仅能解聚半结晶PET薄膜，还能代谢残留聚合物。本研究表明G. mysorens ASR 14是PET废物管理中具有生物技术潜力的候选菌株，契合联合国可持续发展目标(Sustainable Development Goals, SDGs) 12（负责任消费与生产）、14（水下生物）及15（陆地生物）。
论文解读：《Enzymatic depolymerization of polyethylene terephthalate by Glutamicibacter mysorens ASR 14: Kinetics and mechanisms》——发表于Journal of Hazardous Materials Advances
一、研究背景与目的
聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)全球年产量达7000万吨，占全球塑料产量的18%，其大量堆积引发生态与健康隐患。传统处置方法（填埋、焚烧、理化回收）存在高能耗及二次污染问题，而生物降解尤其是利用全细胞催化剂降解商用高结晶度瓶级PET(bottle-grade PET)的研究尚不充分。目前已发现的PET降解酶（如Ideonella sakaiensis的IsPETase）对高结晶度PET活性较低，且Glutamicibacter（原Arthrobacter属）属细菌虽具芳香污染物降解能力，但其直接降解PET的证据缺失。因此，研究人员从垃圾填埋场土样中分离筛选得到G. mysorens ASR 14，旨在探究其对瓶级PET的180天降解效能、动力学特征、表面结构变化及代谢途径，以拓展PET降解菌的系统发育多样性并提供基础数据。
二、主要关键技术方法
研究人员自印度Chennai垃圾填埋场土样经PET-最小盐培养基(minimal salt medium, MSM)富集筛选获得G. mysorens ASR 14（16S rRNA基因登录号PPQ813653）。将瓶级PET切成2×2 cm薄膜(0.11 mm厚，结晶度28.14 %)作为唯一碳源，于32 ℃、180 rpm避光孵育180 d，每30 d取样。通过重量法计算失重率及一级动力学模型求降解速率常数(k)与半衰期(t1/2)；采用平板及分光光度法测定胞外酯酶(esterase)、脂肪酶(lipase)、蛋白酶(protease)活性；用反相高效液相色谱(reverse-phase HPLC)定量培养液中TPA浓度；利用气相色谱-质谱联用仪(GC–MS)分析代谢产物；通过扫描电镜(scanning electron microscopy, SEM)结合能谱仪(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)观察表面形貌与元素组成；借助傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared spectroscopy, FTIR)、热重分析(thermogravimetric analysis, TGA)、差示扫描量热法(differential scanning calorimetry, DSC)及X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)表征PET化学键、热稳定性及结晶度变化。
三、研究结果
3.1. Weight loss and half-life estimation of biodegraded PET film（降解PET薄膜的重量损失与半衰期估算）
研究人员经180 d孵育测得PET初始重51.1 mg降至34.9 mg，失重率达31.7 %，密度由1227.5 kg/m3降至969.4 kg/m3（降幅20.2 %）。按一级反应动力学拟合得降解速率常数k=0.002121 d?1，半衰期t1/2=326.8 d，表明G. mysorens ASR 14对半结晶瓶级PET具持续降解能力。
3.2. Bacterial growth and PET degradation kinetics（细菌生长与PET降解动力学）
定性平板实验显示菌株分泌可水解对硝基苯基乙酸酯(p-nitrophenyl acetate, pNPA)及对硝基苯基棕榈酸酯(p-nitrophenyl palmitate, pNPP)的水解酶，产生黄色水解圈。定量测定酯酶活第30天达峰(37.8±1.2 U/mL)，脂肪酶同期达峰(7.8±0.2 U/mL)，蛋白酶活性低(0.12±0.006 U/mL)。菌落形成单位(colony-forming units, CFU)第30天达24.4×106CFU/mL。HPLC检测显示培养液中TPA浓度第30天为0.437 mM、第60天升至0.456 mM、第180天回落至0.208 mM，证实菌株可将TPA作为唯一碳源吸收进入原儿茶酸(protocatechuate, PCA)途径进而矿化。
3.3. GC–MS analysis of PET biodegradation metabolites（PET生物降解代谢产物的GC–MS分析）
GC–MS检出165种化合物，含PET水解初级产物TPA（保留时间13.67 min，m/z 166.0）及单(2-羟乙基)对苯二甲酸酯(mono(2-hydroxyethyl) terephthalate, MHET)衍生物（4-苯甲二甲酸-1-(2-羟乙基)-4-甲酯，RT 14.33 min），另检出异酞酸、邻苯二甲酸酯及含氮次级代谢物，提示PET经酯键断裂后芳香环被氧化开环进入三羧酸循环(tricarboxylic acid, TCA cycle)。
3.4. Biofilm formation on PET film surfaces and its degradation observed under SEM（PET膜表面生物膜形成及其降解的SEM观察）
SEM显示对照组PET表面光滑；处理组第30天现微裂纹，第60—90天现表面沟槽与孔洞，第120天呈片状剥落，第150天现深坑，第180天广泛多孔崩解。菌体以杆状微菌落密集定殖成生物膜，尤以PET边缘为主。EDS显示处理组C元素由61.99 %降至52.38 %，O元素由38.01 %升至39.51 %，C/O比降低符合酯键水解引入含氧基团特征，并检出Na、P、Cl、K源于胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)。
3.5. FTIR spectroscopic analysis（傅里叶变换红外光谱分析）
FTIR谱中处理后PET膜羰基C=O伸缩振动(1715 cm?1)、酯键C–O–C不对称伸缩(1240 cm?1)及乙二醇段C–O伸缩(~1100 cm?1)、对位双取代苯环C–H面外弯曲(700 cm?1)吸收峰强度均减弱，确证微生物作用引起PET骨架酯键断裂及部分芳香环修饰。
3.6. Thermogravimetric analysis（热重分析）
TGA显示未处理PET起始分解温度~410 ℃、最大失重峰温440 ℃；降解后PET起始分解温度降至350 ℃，最大分解峰温前移至420 ℃，表明酶解造成分子链缺陷使热稳定性下降。
3.7. Differential scanning calorimetry（差示扫描量热法）
DSC显示对照PET熔融焓(ΔHm)为39.4 J/g（结晶度28.14 %），降解后ΔHm降至28.32 J/g（结晶度约20 %），熔点微升至247.03 ℃，表明微生物优先侵蚀并破坏部分结晶区，使整体结晶度下降。
3.8. X-ray diffraction analysis（X射线衍射分析）
XRD图谱中对照PET于2θ≈25.60°具强衍射峰（强度~3800 a.u.），降解后峰位略移至2θ≈25.36°且强度降至2842 a.u.（降幅约32 %），结晶度指数(crystallinity index, Xc)下降，印证酶解造成结晶区部分破坏而非单纯无定形区去除导致的相对结晶度升高。
四、讨论与结论总结
以往Glutamicibacter属未见PET降解报道，本研究首次证明G. mysorens ASR 14可定殖瓶级PET表面形成稳定生物膜，分泌胞外水解酶裂解酯键解聚半结晶PET并同化TPA完成矿化，180 d失重31.7 %、半衰期326.8 d，伴随表面微裂纹演化、结晶度与热稳定性降低及TPA先累积后消耗。虽降解速率不及某些专性PET降解菌对低结晶PET膜的效力，但该菌耐环境胁迫、具长期定殖与持续水解能力，拓展了PET降解微生物类群，为原位生物修复及后续酶基因挖掘与工程菌改造提供基础。研究人员指出未来需聚焦水解酶基因鉴定、工艺条件优化及TPA完全矿化通路以确保PET生物转化安全性与可持续性。
结论译文：
本研究通过物理、化学及生物学手段在限定最小盐培养基条件下全面评估了G. mysorens ASR 14对瓶级PET薄膜的生物降解作用。为期180天的延伸孵育与多参数评价使PET降解动力学得以阐明，这对开发可规模化应用的塑料废物管理生物技术解决方案至关重要。化学与结构表征表明该菌不仅能解聚半结晶PET薄膜，还可代谢残余聚合物。综上，G. mysorens ASR 14是PET废物管理与高值化生物技术领域具前景的候选菌株。基于本研究结果，进一步挖掘可降解瓶级PET的微生物多样性对于加速PET塑料生物降解与回收十分必要，未来研究应聚焦于参与水解的酶基因组与表达特征、工艺条件优化及生物过程工程策略以增强PET矿化效率。鉴于多数已报道微生物仅能将PET解聚为TPA且缺乏高效下游降解途径可能引发生态毒性，后续研究除PET解聚外还应关注TPA完全矿化通路以保障PET废物生物转化的安全与可持续。
