聚氨酯(PU)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)是日常生活中廣泛使用的塑料聚合物(如家具、涂料、瓶子和紡織品)，占城市固體垃圾的很大比例。它們因其惰性難以自然降解，對生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性和人類健康構(gòu)成嚴重威脅。環(huán)境中的多樣化的微型真菌被認為是解決塑料污染的一種有前景的綠色方案。它們能分泌多種酶(如酯酶、角質(zhì)酶、漆酶等)，進而分解塑料聚合物。然而，大多數(shù)研究僅限于單一塑料，且對其背后的具體分子機制了解甚少。而在現(xiàn)實環(huán)境中，塑料污染物多以混合物形式存在，但關(guān)于單一菌株能否同時高效降解多種塑料，以及驅(qū)動這一過程的關(guān)鍵基因、酶和代謝途徑，仍然缺乏系統(tǒng)性的、多組學層面的深入研究。

圖1 該研究的圖形摘要

近日，中國科學院昆明植物研究所山地未來研究團隊從植物-土壤系統(tǒng)中成功分離出一種名為Fusarium vanettenii 的真菌，該菌株能夠有效降解PU和PET聚合物。研究團隊通過在土壤中添加PU和PET微塑料進行長期富集培養(yǎng)，最終篩選出這株高效降解菌。實驗結(jié)果顯示，該真菌能在90天內(nèi)使PU薄膜質(zhì)量減少約19.7%，PET減少6.63%。掃描電鏡(SEM)圖像中清晰可見塑料表面被菌絲侵蝕、出現(xiàn)裂縫和孔洞，傅里葉變換紅外光譜(FTIR)也檢測到酯鍵、羰基等關(guān)鍵化學鍵的斷裂(圖1和圖2)。為了深入理解其降解機制，研究團隊整合了基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等多組學技術(shù)。結(jié)果顯示，在降解PU和PET過程中，真菌顯著上調(diào)了多個關(guān)鍵酶的表達，尤其是脂肪酶 FvLIP1 和FvLIP2、角質(zhì)酶 FvCUT1 / FvCUT2 以及漆酶 FvLAC1。這些酶協(xié)同作用能夠?qū)⑺芰暇酆衔锓纸鉃樾》肿踊衔?。研究人員進一步通過分子對接技術(shù)模擬了脂肪酶與塑料單體之間的相互作用。結(jié)果顯示，F(xiàn)vLIP1 和 FvLIP2 可通過疏水作用和氫鍵與PU和PET結(jié)構(gòu)單元結(jié)合，從結(jié)構(gòu)層面解釋了其降解能力的分子基礎(chǔ)。通過液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)分析，研究團隊檢測到了PU降解產(chǎn)生的丙二醇、己酸和己二酸，以及PET降解產(chǎn)生的對苯二甲酸和鄰苯二酚。這些產(chǎn)物部分可被真菌進一步吸收利用，進入能量代謝循環(huán)，最終實現(xiàn)塑料的完全生物降解(圖3)。

圖2 篩選的真菌(F. vanettenii)對PU和PET的生物降解情況

該研究不僅首次報道了一株能同時高效降解PU和PET的真菌，還系統(tǒng)揭示了其降解的分子機制和關(guān)鍵酶系。這項研究為開發(fā)針對混合塑料廢棄物的生物處理技術(shù)提供了新的菌種資源和理論依據(jù)。

上述研究以Elucidation of the biodegradation pathways of polyurethane and polyethylene terephthalate by a Fusarium strain enriched from soil-plant systems為題發(fā)表在生物技術(shù)類TOP期刊Bioresource Technology上，昆明植物所已畢業(yè)研究生Jacob Eyalira博士，吳彥菲博士研究生和Shahid Iqbal博士為論文的共同第一作者，許建初研究員和桂恒副研究員為論文的共同通訊作者，美國麻省大學邢寶山教授也參與了研究。

圖3 篩選的真菌(F. vanettenii)對PU和PET可能的生物降解途徑

該研究得到了國家自然科學基金(32371785和W2412011)、國際原子能機構(gòu)-聯(lián)合國糧農(nóng)組織聯(lián)合研究項目(D15021)、中國科學院“青年創(chuàng)新促進會”(2022396)、云南省“興滇英才”計劃(XDYC-QNRC-2022-0346)等項目的支持。