采用功能驱动策略构建微生物联合体以实现聚乙烯的生物降解与高值化利用

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Engineering microbial consortia for polyethylene biodegradation and valorization using a function-driven strategy

　　

• •
  一种快速平板筛选方法可高效分离PE降解细菌。
• •
  功能驱动设计的菌群 consortium 克服了随机组装的局限性。
• •
  一种理性设计的合成菌群实现了增强的PE降解与增值利用。

引言

聚乙烯（PE）由于其优异的机械性能和化学稳定性，是应用最广泛的塑料，在包装、农业等领域不可或缺[1]。然而，正是这种稳定性使得PE极难自然降解，导致其在环境中持续积累[2]、[3]。每年有数亿吨塑料废物进入生态系统，并常常碎裂为微塑料，通过食物链传递威胁生态和人类健康[4]、[5]。传统的处理方式，如填埋和焚烧，受限于大量占用土地和二次污染[6]、[7]。因此，开发既能降解塑料废物又能将其升级转化为高附加值产品的环境友好型技术，已成为一个紧迫的全球性挑战[8]、[9]、[10]。

生物降解，特别是通过微生物及其特异性酶系统，是一种有前景的绿色解决方案[11]。研究人员已从多种环境中分离出PE降解微生物，包括蜡虫肠道和塑料污染填埋场[12]、[13]、[14]。PE生物降解通常被概念化为一个多步级联过程[15]、[16]：（1）生物定殖，微生物克服表面疏水性建立生物膜；（2）生物劣化，对长链聚合物进行氧化攻击，引入羰基或羟基等功能基团；（3）生物解聚，将聚合物主链断裂为低分子量寡聚物；（4）生物同化，这些小分子被代谢为二氧化碳、水，或并入微生物生物量及胞内生物聚合物，如聚羟基烷酸酯（PHA）[17]。这最后一步为废物资源化提供了可行途径，但在仅关注降解的研究中往往被忽视[18]、[19]。

尽管在鉴定单个PE降解菌株方面取得了进展[13]、[14]、[20]、[21]，但其应用常受限于不完整的代谢途径[22]、[23]。单一菌株很少拥有高效同时完成全部四步降解所需的所有酶学机制[24]。在自然环境中，PE等复杂底物通常由功能互补的微生物群落通过协同分工降解[25]、[26]、[27]。受这一生态学原理启发，构建合成微生物群落（SynCom）提供了一种有前景的策略来克服此类代谢瓶颈[28]、[29]。然而，当前SynCom设计面临的一个主要挑战是高质量功能性微生物构件的匮乏[30]、[31]。大多数菌群通过随机混合或试错筛选组装而成，缺乏将菌株精确分配到特定降解阶段（如定殖与解聚）的系统性框架[32]、[33]、[34]。此外，传统分离方法通常劳动密集且通量低[35]、[36]、[37]，阻碍了理性菌群设计所需的功能微生物文库的快速开发。

为解决上述局限性，本研究提出了一种集成功能驱动、自下而上策略，以工程化设计一种高效且稳定的PE降解合成菌群，兼具废物增值利用能力。我们首先开发了一种新型快速平板筛选平台，高效分离并构建功能性微生物文库。采用文献引导的方法，将分离株划分为四个关键功能模块：生物定殖、生物劣化、生物解聚及生物同化/增值。基于此模块化框架，我们组装了合成菌群SynCom-4，随后通过适应性实验室进化（ALE）提升其性能。最后，我们系统评估了进化后的SynCom-4^ALE对PE蜡和PE薄膜的降解效果，阐明了其内在分工机制，并展示了将PE废物升级转化为PHA的潜力。

章节摘要

菌株、化学品与培养条件

聚乙烯薄膜（厚度0.23 mm，ET31-FM-000351）购自Goodfellow[36]。正十二烷（C₁₂）、正二十烷（C₂₀）、正二十二烷（C₂₂）、鼠李糖脂和PE蜡，均为分析纯，购自麦克林。胰蛋白胨和酵母提取物购自Oxoid。本研究使用的最小盐培养基（MSM）成分如下[38]：K₂HPO₄·3H₂O 0.7 g·L^?1，KH₂PO₄ 0.7 g·L^?1，MgSO₄·7H₂O 0.7 g·L^?1，NH₄Cl 1.0 g·L^?1，NaCl 0.005 g·L^?1，FeSO₄·7H₂O 0.002 g·L^?1，ZnSO₄ 0.002 g·L^?1

功能微生物文库构建与合成菌群组装

为构建功能微生物文库，我们首先开发了一种快速可视化的平板筛选方法。与耗时的传统富集培养不同，该方法采用乳化的中链和长链烷烃并结合pH指示剂，实现烷烃氧化活性的即时视觉读出（图1(a)）。我们将此方法应用于从富塑料环境（阿苏卫垃圾填埋场土壤和Tenebrio肠道）中分离的208株细菌初始文库

讨论

塑料污染对全球生态系统构成严重威胁，开发高效的生物降解策略对于实现塑料循环经济至关重要。在本研究中，我们成功应用功能驱动的自下而上设计策略，工程化构建了一个四成员合成微生物菌群（SynCom-4^ALE），既能降解PE又能对中间产物进行增值利用。除展示菌群的降解性能外，我们还系统地

结论

本研究提出了一种功能驱动的自下而上策略，用于工程化设计降解难降解塑料的微生物系统。通过整合快速功能筛选、模块化设计和适应性实验室进化，我们构建了合成菌群SynCom-4^ALE，能够高效降解低分子量和高分子量PE。机制解析揭示了一个精细的协同模式：（1）由P. aeruginosa和K. variicola启动的协同表面生物定殖；

作者贡献声明

Su Haijia： 撰写 – 审阅与编辑，经费获取，概念构思。Wang Shaojie： 撰写 – 审阅与编辑，经费获取，概念构思。Su Donghuan： 数据整理。Liu Xianrui： 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿撰写

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本研究发表的内容产生不当影响。

数据可用性

原始16S rRNA序列读取数据已存入序列读段档案库（Sequence Read Archive），登录号为PRJNA1386835。

利益声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本研究发表的内容产生不当影响。

? 作者为本刊编辑委员会成员/主编/副主编/客座编辑，未参与本文的编辑审阅或出版决定。

致谢

本研究受国家自然科学基金（22578021、22308018）、北京市自然科学基金（2252017）、中央高校基本科研业务费（bctrc202341、JD2537）资助。

刘先瑞|苏东环|王少杰|苏海佳