浅谈微生物在海洋环境保护中的应用

在污水和废水处理等坏境净化领域采用生物技术已久,基因工程在此领域的应用正朝着构建能降解特殊化合物的微生物方向迈进;基因操作技术被用来提高某些微生物体内特异性酶类水平,而这些酶具有特异性生物降解转化作用。微生物已在海洋环境保护中被制作生物传感器等用来进行坏境检测;利用微生物的氨化、硫化、硝化等生化特性进行水质净化;利用某些微生物合成特殊物质来代替塑料等难降解物质并在这些领域中获得显著成效。     

污水处理过程中微塑料去除的现状及发展趋势北大核心CSCD

微塑料(microplastics,MPs)被发现广泛存在于海洋、陆地以及大气等生态系统中。城市污水中的大量微塑料被污水处理厂截留在活性污泥中,但仍有不计其数的微塑料颗粒“逃脱”污水处理厂,排放到自然环境中。与此同时,污水处理过程中绝大部分微塑料会转移到污泥中,伴随着活性污泥的利用过程进入土壤环境,形成微塑料的二次污染。文中基于对国内外文献的调研,对环境中微塑料的来源、分布及危害进行了概述,对活性污泥工艺过程中微塑料的处理情况以及活性污泥中残留微塑料的处理方式进行了梳理;展望了生物技术及合成生物学在活性污泥核心菌群遗传改造,赋予核心菌群微塑料降解能力方面的应用;以期为优化污水处理厂MP的降解提供参考。     

生物可降解塑料在不同环境条件下的降解研究进展北大核心CSCD

当前社会塑料制品的使用需求持续增加,塑料垃圾处理压力不断增大,减缓塑料污染成为当务之急,生物可降解塑料因可在一定生物活性环境下较快降解而备受关注,具有广阔的应用前景。生物可降解塑料降解条件复杂,影响因素众多,对不同生物可降解塑料降解规律,降解微生物和功能酶的透彻掌握,是实现其全面利用和高效资源化处理处置的基础和前提。文章系统梳理了常见生物可降解塑料的种类、性能、优缺点和主要用途,全面综述了生物可降解塑料的降解机理、降解微生物和功能酶,以及生物可降解塑料在不同环境条件下的降解周期和程度,以期为生物可降解塑料的微生物降解研究提供借鉴,为生物可降解塑料废弃物的高效处理处置和彻底降解提供科学参考。     

微生物降解多环芳烃的研究进展

多环芳烃是一类长久存在于环境中,具有毒性、致突变与致癌等特性的环境优先污染物。本文对降解多环芳烃的微生物类群进行了阐述,介绍了在土壤与厌氧条件下细菌降解多环芳烃的研究情况,最后介绍了降解多环芳烃的相关酶类以及分子生物学的研究,并对消除环境中多环芳烃的相关生物技术提出展望。     

聚焦生物降解塑料

<正>传统聚烯烃塑料在自然界中很难降解,塑料垃圾(也称"白色污染")遍布全球,给自然界的污染问题带来巨大困扰。生物降解塑料是指一类由自然界存在的微生物如细菌、霉菌(真菌)和藻类的作用而引起降解的塑料。理想的生物降解塑料是一种具有优良的使用性能、废弃后可被环境微生物完全分解、最终被无机化而成为自然界中碳素循环的一个组成部分的高分子材料。     

发展生物塑料是大势所趋

随着石油能源供需矛盾日趋紧张、油价上涨,以及源于石油生产的各类塑料制品废弃后难以降解,严重污染了环境(有“白色污染”之称),发展可生物降解的“生物塑料”(即生态友好塑料)以取而代之,是大势所趋,是塑料产业今后的发展方向。生物技术应用于生物塑料的发展有广阔的前景。日     

中欧组织间合作研究项目MIX-UP助力实现“碳中和”

随着全球塑料循环体系的变革升级,提高塑料的回收利用不仅可以减少塑料在生命周期中的碳排放,还可以解决废塑料潜在的生态环境危害。文中介绍了2019年国家自然科学基金组织间国际 (地区) 合作研究项目“废塑料资源高效生物降解转化的关键科学问题与技术 (MIXed plastics biodegradation and UPcycling using microbial communities,MIX-UP)”。该项目聚焦“塑料污染”这一全球化的问题,围绕中欧双方确定的“塑料生物降解菌群”研究领域,联合中欧双方14家优势科研单位,开展实质性的重大前沿合作研究。针对废塑料生物降解中存在的解聚与重塑两个难题,项目以难降解石油基塑料 (PP、PE、PUR、PET和PS) 以及生物可降解塑料 (PLA和PHA) 的混合废塑料作为研究对象,从塑料微生物降解途径解析及关键元件的挖掘与改造、塑料高效降解混菌/多酶体系的构建与功能调控、塑料降解物的高值化炼制途径设计与利用策略3个方面展开研究。本项目将突破废塑料生物降解转化中高效降解元件挖掘、塑料降解物高值化利用的关键科学问题与技术,探索一条废塑料资源化、高值化、循环化、低碳化的新塑料循环路线,建立以“降塑再造”为核心理念的废塑料生物炼制体系,丰富我国固废资源化生物技术利用平台。项目的实施不仅有助于提升我国塑料 (生物) 循环经济的理论基础和关键技术水平,还可以推动我国与国际科研院所的多边交流与合作,促进我国在生物技术领域的创新发展,助力我国碳中和目标的实现。     

聚乙烯塑料的微生物降解

聚乙烯(polyethylene,PE)是产量最大的通用塑料之一,通常被加工成一次性包装材料(包括塑料袋及容器)和农用薄膜等。PE塑料的广泛应用导致大量PE废弃物的累积,对生态环境造成严重的威胁。自20世纪70年代以来,一些研究陆续报道了PE塑料被微生物降解的现象,并从土壤、海洋、垃圾堆置点及昆虫肠道等生境中分离筛选到了若干种具有一定PE塑料降解能力的菌株,而且发现一些单加氧酶、过氧化物酶和漆酶等氧化还原酶对PE塑料具有氧化降解能力。这些研究为发展PE塑料废弃物生物降解处理技术提供了一定的依据。本文总结和分析了PE塑料降解微生物的分离和筛选方法,以及已报道的PE塑料降解微生物和降解酶的研究进展,以期为进一步研究PE塑料的微生物降解机理和处理技术提供参考。     

不可降解塑料的全细胞催化降解及升级再造

石油基塑料产量大、应用广,常见的种类有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等聚烯烃类塑料以及聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯等聚酯类塑料。这些合成塑料分子量大、疏水性高,难以在自然环境中降解,因此大部分也被称作“不可降解塑料”。塑料的生物降解具有条件温和、应用潜力巨大的特点,塑料降解微生物和酶资源的挖掘以及新技术的开发方兴未艾,其中,基于全细胞催化降解与开环式升级再造技术受到越来越多的关注。本文介绍了国内外不可降解塑料全细胞催化转化技术的研究进展,阐述了对塑料废弃物天然全细胞降解体系和人工全细胞降解方法的开发情况,进而以聚对苯二甲酸乙二醇酯为例,探讨了塑料开环升级再造的技术策略,最后对塑料生物降解技术的研发方向和重点进行了讨论和展望。本文将为进一步开展塑料生物降解研究,挖掘塑料降解微生物资源,构建新型人工全细胞催化体系,最终实现不可降解塑料的高效降解和升级再造提供借鉴。     

聚对苯二甲酸乙二醇酯生物降解的研究进展

塑料广泛存在于人类的日常生活中，在给人们生活带来便利的同时，大量塑料废物也给环境带来很大压力。聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)是一种以石油为原料的高分子热塑性材料，因其具有耐用、透明度高、重量轻等特性，已成为世界上使用最广泛的塑料之一。由于PET具有结构复杂以及难降解的特性，可在自然界中长期存在，不仅对全球生态环境造成严重的污染，而且已经威胁到人类健康。如何对PET废弃物进行降解已成为全球的难题之一，相较于物理法和化学法，生物降解法是目前处理PET废弃物最为绿色环保的方法。本文分别介绍了微生物和生物酶对PET生物降解的研究现状、PET的生物降解途径、PET生物降解机制以及PET降解酶的分子改造等方面的研究，并对如何实现PET的高效降解、寻找和改造可降解高结晶度PET的微生物或酶进行展望，为PET的生物降解微生物或酶的有效开发应用提供理论依据。     

聚氨酯塑料的微生物降解

未被合理处置的废塑料污染已成为全球性的环境问题,探索塑料废弃物的无害化处理技术势在必行。近来,研究证实了自然界中存在可以降解塑料的微生物及酶。利用微生物或酶对废塑料进行生物处理成为可能。聚氨酯塑料(Polyurethane,PUR)是广泛应用的通用塑料之一,其废弃物量已占到所有废塑料总体积的30%。文中将PUR塑料发明应用70年来有关微生物降解的研究进行了全面综述,对PUR塑料降解真菌、细菌、降解基因与酶、降解产物及相关的生物处理技术系统等进行了总结与分析,并对实现PUR废塑料高效生物处理需解决的关键科学问题进行了展望。     

聚氨酯塑料降解菌G-11的筛选鉴定及其塑料降解特性

聚氨酯(polyurethane,PUR)塑料因其特殊的理化性质而被广泛应用。然而,大量废弃PUR塑料的不合理处置造成了严重的资源浪费和环境污染。利用微生物的手段实现废弃PUR塑料的高效降解和循环利用成为目前的研究热点之一,而高效降解菌是PUR塑料生物法处理的关键。本研究以垃圾填埋场PUR类废塑料样品为来源,分离到一株能够降解PUR类似物Impranil DLN的微生物,并对其PUR降解特性开展了研究。通过16S rRNA基因序列比对将该菌初步鉴定为拟无枝杆菌属(Amycolatopsis sp.),命名为G-11。PUR塑料降解实验结果表明,菌株G-11对商业化PUR塑料的减重率达到4.67%,扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)发现塑料结构被破坏,表面出现侵蚀。接触角分析和热重分析(thermogravimetric analysis,TGA)结果发现,菌株G-11处理后的PUR塑料的亲水性增强,热稳定性下降,该结果与减重和扫描电镜结果相一致。结果表明,分离自垃圾填埋场的菌株G-11在废弃PUR类塑料生物降解方面具有一定的应用潜力。     

聚对苯二甲酸乙二醇酯水解酶研究进展

塑料自20世纪首次合成以来给人类生活带来了极大的便利。然而,塑料稳定的高分子结构导致了塑料废弃物的持续堆积,对生态环境和人类健康均造成严重威胁。聚对苯二甲酸乙二醇酯[poly(ethylene terephthalate),PET]是产量最高的一种聚酯类塑料,近年来PET水解酶的相关研究展现出生物酶法对塑料进行降解、回收的巨大潜力,也为塑料生物降解机制研究建立了参考范例。本文综述了不同微生物来源的PET水解酶及其PET降解能力,阐述了最具代表性的PET水解酶—IsPETase降解PET的催化机理,并总结了近年来通过酶工程改造而获得的高效降解酶,为未来的PET降解机制研究、PET高效降解酶的进一步挖掘和改造提供参考。     

PET水解酶传统与智能分子设计研究进展

塑料由于其耐久性和耐降解性造成的环境污染日趋严重,而塑料废弃物的处理回收方法存在着缺陷。聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate,PET）是应用最广泛的塑料类型之一,但在自然条件下很难被降解。近年来,虽然多种具有PET降解活性的酶被发现,但这些酶的催化活性和热稳定性难以支撑实际工业所需,因此提高PET水解酶的降解能力已成为研究热点而备受关注。脂肪酶、角质酶、IsPETase和IsMHETase是目前研究最为广泛的PET水解酶,就这几种酶的结构、活性特征进行了总结,重点阐述了传统蛋白质工程和人工智能分子设计在增强PET水解酶应用性能方面的研究进展。期望塑料降解酶可以进一步发展优化,为循环塑料经济做出有价值的贡献。     

一株PET降解菌株的筛选鉴定及降解特性

本研究进行了聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate,PET)降解菌株的分离、筛选和鉴定,以及降解机制的探究.用"分级筛选"策略,先利用塑料类似物对苯二酸二甲酯(diethyl terephthalate,DET)进行富集培养,在以PET颗粒为唯一营养源的无机盐固体培养基上进行涂布,从垃圾填埋场PET塑料样品中筛选获得具有降解PET颗粒能力的菌株JWG-G2.通过菌株形态观察、生理生化特性及16S rRNA序列分析,鉴定该菌株属于微杆菌属(Microbacterium sp.).菌株JWG-G2在pH 7.0、30℃时生长状态最佳.经菌株JWG-G2处理后,PET颗粒表面酯键特征官能团明显减少;PET颗粒失重率达到1％.菌株JWG-G2能够显著降解PET中间体对苯二酸单羟乙酯钠盐(monohydroxyethyl terephthalate,MHET)和对苯二甲酸双羟乙酯(bishydro-xyethyl terephthalate,BHET)多聚体,其降解率分别为4.5％和11.2％.菌株JWG-G2具有较好的PET颗粒及其中间体降解作用,为降解机制的深入研究提供一定理论基础.     

聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯塑料地膜高效降解菌群筛选及其群落结构演替特征

【背景】以聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)为主要成分的塑料地膜虽然是生物可降解的地膜,但是关于该塑料地膜降解的微生物菌群研究却较少。【目的】拟从不同环境样品中筛选可降解PBAT塑料地膜的微生物菌群。通过对其多次富集的菌群群落结构演替进行分析,明晰可降解PBAT塑料地膜的核心微生物。【方法】利用改良的SM无机盐培养基从不同环境样品中筛选可降解PBAT塑料地膜的微生物菌群;利用失重法测定菌群对PBAT塑料地膜降解的效率;利用16SrRNA基因高通量测序技术对其第5批次(G5)至第9批次(G9)富集的降解菌群的群落结构进行深入探讨;通过Pearson相关性分析方法对菌群不同菌属相对丰度变化和PBAT塑料地膜降解时间进行解析。【结果】从广州金发堆肥厂的堆肥样品中筛选到可完全降解PBAT塑料地膜的菌群,编号为SX。通过连续不断的转接富集,菌群SX对PBAT塑料地膜的降解速率显著提升。16SrRNA基因高通量测序结果显示第5批次(G5)至第9批次(G9)富集的PBAT塑料地膜降解菌群,厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度逐渐下降,而放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度逐渐上升。硫磺色节杆菌(Arthrobactersulfureus)、红螺菌科(Rhodospirillaceae)和噬几丁质菌科(Chitinophagaceae)在随着转接富集过程中相对丰度逐渐升高而芽孢杆菌(Bacillussp.)的相对丰度显著降低。通过统计分析发现硫磺色节杆菌(Arthrobacter sulfureus)相对丰度升高与PBAT塑料地膜降解时间缩短显著相关(r=–0.927,P0.05)。【结论】筛选到PBAT塑料地膜高效降解菌群SX。通过连续不断的转接富集,菌群SX对PBAT塑料地膜的降解时间由28 d (第5批次,G5)降低到13 d (第9批次,G9)。通过对菌群群落结构的研究,发现随着菌群降解效率的提高,硫磺色节杆菌的所占相对丰度显著增加,说明其可能在PBAT塑料降解中发挥着关键作用。本研究为PBAT塑料地膜的降解提供了绿色高效环保的新途径和菌株资源,并为PBAT塑料地膜降解的机制研究奠定了基础。     

一株橡胶降解菌Rhizobacter gummiphilus NBRC109400的全基因组测序及功能挖掘

Rhizobacter gummiphilus NBRC 109400是一种新发现的具有降解天然橡胶能力的革兰氏阴性菌,为进一步探究该菌株降解天然橡胶的作用机制,挖掘菌株可能存在的功能特性,本研究使用第三代高通量测序技术对R. gummiphilus NBRC 109400进行全基因组测序,基于完成图进行基因预测、功能注释以及次级代谢产物合成基因簇预测,并对其橡胶降解蛋白进行挖掘。该菌株基因组大小为6 398 100 bp,GC含量为69.72%。该基因组共预测得到9个次级代谢产物合成基因簇,其中2号基因簇与来自菌株Delftia acidovorans SPH-1的delftibactin金生物矿化基因簇同源并进行了探究。定位了该菌株的橡胶降解关键蛋白LatA橡胶加氧酶,同时,预测到一个可能与菌株降解橡胶途经相关的同工蛋白CPZ87_07230。全基因组序列已提交至美国国立生物技术信息中心(NCBI)的GenBank数据库,登录号为CP024645。以上研究将为菌株NBRC 109400的功能基因组学研究及橡胶降解特性研究提供基础数据。     

生物塑料引领塑料产业新方向

塑料作为一种重要的基础材料,给人类的生产和生活带来极大的便利的同时,由于其难以降解的特性,也给人类的生存环境造成灾难性的污染。为此,生物塑料应运而生。本文综述了发展生物塑料的缘由,生物塑料的定义和分类,开发生物塑料的现状,并展望了未来发展的趋势。     

塑料的生物降解与转化专刊序言

合成塑料已广泛应用于国民经济各领域,是国民经济的支柱产业。然而,不规范生产、使用塑料制品以及处置塑料废弃物等问题,造成塑料在环境中长期累积,导致了严重的环境污染和碳资源浪费。生物降解是实现废塑料污染治理与资源化的新途径,已成为国内外废弃塑料处置研究的热点。近年来,在塑料降解微生物/酶资源的分离、筛选、鉴定以及对其进行工程化改造等方面取得了重要突破,为环境中微塑料的治理、废塑料的闭环循环再生提供了新的思路和方案。另一方面,利用微生物(纯菌或菌群)将塑料降解产生的单体进一步转化为生物可降解塑料及其他具有高附加值的化合物,对于解决废塑料的生态环境污染、推动塑料循环经济发展以及减少塑料在生命周期中的碳排放等方面具有重要意义。《生物工程学报》特组织出版“塑料的生物降解与转化”专刊,邀请了国内外塑料生物降解与转化领域的相关专家学者介绍了塑料生物降解资源的发掘、塑料解聚酶的设计与改造、塑料降解物的生物高值转化等领域最新进展和研究成果,收录了包括评论、综述、研究论文等类型的相关文章16篇,为塑料生物降解与转化的进一步研究提供借鉴和指导。     

聚乳酸塑料合成、生物降解及其废弃物处置的研究进展

随着国内外禁塑令和限塑令的升级,以聚乳酸(polylactic acid, PLA)为代表的生物基塑料成为传统石油基塑料市场的主要替代品,备受产业界的青睐。然而,公众对生物基塑料的认识仍存在诸多误解。事实上,生物基塑料的降解需要在特定条件下才能实现,泄入到自然环境中同样难以降解,会对人体、生物多样性和生态系统功能造成危害,这与传统石油基塑料相似。近年来,随着我国PLA产能和市场规模不断的提高,亟需进一步加强对PLA等生物基塑料降解性能的认识,挖掘PLA生物降解资源,关注和研究生物基塑料回收处理模式。基于上述背景,本文首先介绍了PLA塑料的性质及合成方式,以及PLA塑料的产业化与市场规模;其次,对目前聚乳酸塑料微生物与酶法降解的研究进展进行了综述,并对其生物降解机制进行了探讨;最后,提出了微生物原位处理和酶法闭环回收两种聚乳酸塑料废弃物生物处置方法,并对PLA生物基塑料的发展前景和趋势进行了展望。