不是一個群落在戰鬥,牛胃液中多種微生物群落聯手分解聚酯塑膠
在遍佈世界的塑膠垃圾中聚酯佔據重要地位。根據歐洲塑膠回收組織協會(EPRO)的統計,2019年歐洲排放的2580萬噸塑膠垃圾中聚酯約占15%。
在眾多塑膠垃圾處理方法中,酶水解越來越受到人們的關注,成為解决塑膠污染問題的良方。為了找到能分解聚酯的酶,科學家在自然界中進行了廣泛蒐集,從陸地到海洋,從動物到植物都進行了嘗試。
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最近,科學家又盯上了奶牛。作為一種食草性反芻動物,牛進化出了四個胃,瘤胃也叫“草肚”,是消化食物的第一站,成年奶牛的瘤胃容積為50~100昇,這是迄今已知的降解植物纖維能力最强的天然發酵罐,在這裡水解酶先將吃進去的草進行預分解,以便於後面幾個胃進行深加工。
因為牛吃進去的草中會含有天然植物聚酯(如角質),說不定從牛的胃液中可以發現能水解聚酯塑膠的微生物。
成果介紹
奧地利工業生物技術中心Doris Ribitsch團隊利用奶牛的瘤胃液對三種合成聚酯:聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯(PBAT)和聚呋喃甲酸乙二醇酯(PEF)進行了水解研究,發現在細菌、真核生物和古生菌的共同作用下,胃液可以很好的水解合成聚酯,其中瘤胃液對PEF情有獨鍾,水解72小時後其水解產物濃度為4.8 mM,PET和PBAT則釋放出了0.6和0.75 mM的水解產物。
讓瘤胃液吃掉聚酯
圖1.聚酯降解及瘤胃液微生物群落分析。
研究者從當地屠宰場拿到了瘤胃液後過篩,然後在-20℃冷藏備用。他們選擇了三種聚酯:產量最大的PET、可生物降解的PBAT和生物基聚酯PEF。將這三種聚酯粉末和薄膜樣品與瘤胃液混合,在40℃和150 rpm的振動器中類比了瘤胃消化食物的環境,對聚酯進行水解,採用高效液相色譜(HPLC)對水解產物進行分析。
瘤胃液更喜歡“吃”PEF
圖2.三種聚酯薄膜樣品被瘤胃液水解後的產物分析。
研究者首先進行了瘤胃液中三種聚酯薄膜樣品的水解,在72小時後均檢測到了水解產物,也就是說瘤胃液可以分解PET、PBAT和PEF,其分解產物濃度分別為0.15、0.5和0.78 mM。
圖3.三種聚酯粉末樣品被瘤胃液水解後的產物分析。
在粉末樣品水解實驗中,研究者發現粉末的水解效率要高於薄膜,同樣水解72小時後,PET和PBAT分別釋放出0.6和0.75 mM的水解產物,PEF釋放的更多,達到了4.8 mM。他們認為影響瘤胃液水解效率的因素很多,聚合物鏈越柔順,越有利於酶的吸附和水解。
圖4.在瘤胃液中水解24、48和72小時後,PET、PBAT和PEF薄膜樣品的SEM影像。
研究者對瘤胃液水解後的聚酯薄膜樣品進行了SEM分析。由於水解酶的尺寸太大,無法擴散到聚酯薄膜內部,所以水解是從表面開始的。很明顯瘤胃液更喜歡“吃”PBAT和PEF,水解24小時後,PBAT和PEF表面就已經變得很粗糙:PBAT薄膜表面可以看到凹槽,而在PEF薄膜上則形成了凹坑,而此時PET表面還比較光滑。
水解聚酯不是一個群落在戰鬥
圖4.利用宏基因組分析瘤胃液中的微生物群落。
為了弄清楚瘤胃液中到底是哪種微生物群落最能水解聚酯,研究者從胃液中選取DNA,然後進行宏基因組分析,總共得到了360萬個讀長和14.8 Gb的DNA數據,採用鳥槍宏基因組學科技對瘤胃液中的微生物群落進行分類,發現在這個“大家庭”中98%的是細菌,1%的是真核生物,0.9%的是古生菌,最後不到0.1%的是病毒。
在瘤胃液98%的細菌中,假單胞菌數量最多,不動桿菌排第二,研究者認為雖然假單胞菌對聚酯水解的功勞最大,但不動桿菌的作用也不能埋沒。關於真核生物,已有關於麯黴、青黴和假絲酵母菌水解聚酯的報導。所以,他們認為是瘤胃液中的細菌、真核生物、甚至是古生菌的聯手才實現了合成聚酯的水解,並不是一個群落在戰鬥。
小結:為了尋找能分解合成聚酯的微生物,研究者利用瘤胃液對PET、PBAT和PEF三種聚酯進行了水解,發現粉末樣品的水解效率要好於薄膜,在40℃下水解72小時後,PET和PBAT釋放出了0.6和0.75 mM的水解產物,而PEF被水解的效率更高,釋放了4.8 mM的產物。利用宏基因組分析,研究者認為瘤胃液中細菌、真核生物和古生菌的共同作用才是水解合成聚酯的關鍵所在。
原文連結:
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2021.684459/full
https://phys.org/news/2021-07-microbes-cow-stomachs-plastic.html
原文刊載於【高分子科學前沿】公眾號
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