“吃豆人酶”现身土壤：细菌正在学会消化塑料

塑料污染是世界上最顽固的环境问题之一。大量被丢弃的塑料积聚在海洋中，有时形成巨大的垃圾带，威胁海洋生物。大多数传统塑料分解得极其缓慢，因为微生物难以消化制造这些塑料的合成聚合物。这些材料不会消失，而是逐渐碎裂成越来越小的颗粒，包括微塑料和纳米塑料。

然而，塑料废弃物并非完全无法被自然界触及。细菌和其他微生物可以在其表面定殖，形成被称为生物膜的群落。这些群落创造出一种独特的微生物生态系统，科学家称之为“塑料际”（plastisphere）。

康斯坦茨大学的研究人员如今发现了一种不寻常的酶，它可能揭示某些细菌如何变得更能分解特定类型的塑料。这种酶可以消化某些聚酯和可生物降解塑料，但它还有另一种出人意料的能力：它也能分解青霉素，这暗示其可能与抗生素耐药性存在联系。

科学家将其昵称为“吃豆人酶”，因为它的分子结构具有一个异常宽阔的开口，化学反应就在此发生，这一区域被称为活性位点。这一发现表明，细菌可能正在以研究人员此前认为更快的速度适应消化某些塑料材料。

然而，这些发现也突显了一个重要限制。要让微生物在减少塑料污染方面产生有意义的改变，就需要更多塑料产品由可生物降解材料制成，且这些材料含有微生物能够断裂的化学键。

测试细菌如何分解生物塑料

为了研究微生物如何消化可生物降解塑料，康斯坦茨大学生物学家哈里·勒纳（Harry Lerner）和大卫·施莱赫克（David Schleheck）研究了微生物分解的整个过程。他们不仅想确定这些材料是否能够被完全分解，还想确定哪些微生物负责分解，以及是什么生物学机制使它们能够做到这一点。

研究人员检查了所涉微生物群落的组成，并分析了其集体遗传信息（宏基因组）。这种方法使他们能够寻找可能产生能够断裂塑料聚合物的酶的基因。

他们的实验聚焦于长链脂肪族聚酯（LCAP），这是一类由化学家斯特凡·梅金（Stefan Mecking）领导的研究团队开发的可生物降解塑料材料。与许多传统塑料中更耐分解的结构不同，这些材料含有某些微生物可能断裂的化学键。

这项合作研究成果发表在《ISME期刊》上。

为了观察生物塑料在自然环境中的表现，研究团队将样品埋在该校植物园森林土壤表层之下。

“我们把LCAP生物塑料薄膜的小片埋在大学植物园森林上层腐殖质层中，深度约10厘米，”哈里·勒纳解释说。

“这一层正是纤维素和其他天然聚合物，比如角质——一种植物基聚酯——发生分解的地方。”

腐殖质是富含分解有机物的土壤表层，微生物在此在养分循环中发挥主要作用。纤维素是植物细胞壁的主要结构成分，而角质是一种天然存在的聚酯，有助于形成植物的保护性外覆盖层。

研究人员选择这一环境，是因为其中的微生物已经具备分解复杂天然材料所需的生物学机制。

生物塑料约一年内消失

除了户外实验，科学家还使用从同一片森林采集的土壤进行了实验室测试。他们将粉末状生物塑料混入土壤，并在整整一年内监测微生物活动。

一项重要测量是样品释放的二氧化碳（CO2）量。当微生物消耗和代谢有机材料时，它们会通过呼吸作用产生二氧化碳。追踪这种气体有助于研究人员确定微生物分解塑料的活跃程度。

埋入的塑料薄膜在森林土壤中整整放置了一年，使团队能够比较自然条件下的分解情况与仔细监测的实验室实验。

为了评估结果，科学家还测试了纤维素、其他可生物降解塑料、传统聚乙烯塑料，以及未添加材料的土壤样品。

“纤维素、其他类型的生物塑料，如PHBV和PCL，以及高密度塑料（HDPE）和未处理土壤，在实验室中用作对照。我们发现，所有生物塑料材料都在大约250至330天内完全降解。纤维素约80天后分解，而HDPE几乎没有发生降解，”勒纳说。

差异十分显著。可生物降解塑料在约9至11个月内被完全分解，而传统高密度聚乙烯几乎未显示分解。

这些结果说明了为什么塑料的化学组成如此重要。一些聚合物含有微生物酶可以攻击的化学键，使细菌能够将其拆解成更小的分子。另一些聚合物，包括广泛使用的聚乙烯，则对生物降解具有强得多的抵抗力。

神秘孔洞揭示细菌如何“吃”塑料

当研究人员从森林土壤中回收塑料薄膜时，他们发现了意想不到的现象。

研究团队使用电子显微镜检查了埋藏材料的表面；电子显微镜可以揭示普通光学显微镜远无法看到的结构。他们发现了许多微小的孔洞，每一个的大小和形状都大致与单个细菌细胞相符。

这种不寻常的模式表明，细菌所做的不仅仅是附着在塑料上。它们似乎正在钻入材料本身。

“我们假设，细菌表面覆盖着锚定在细胞表面的塑料解聚酶。这将使它们能够消化材料并嵌入薄膜内部，留下正是这种类型的微观孔洞，”勒纳解释说。

解聚酶是能将被称为聚合物的大分子分解成更小化学单元的酶。如果这些酶直接附着在细菌外部，它们就可以使微生物在与其保持密切接触的同时消化周围材料。

这将有助于解释在塑料薄膜中观察到的微观空腔。细菌可能并非完全依赖释放到环境中的酶，而是能够直接在自身表面分解材料。

科学家鉴定出吃塑料的“吃豆人酶”

为了找到这种行为背后的生物学机制，勒纳从土壤样品中生活的整个微生物群落中提取了DNA。

随后，他对遗传物质进行了测序，并仔细分析大量数据，以确定在生物塑料分解过程中哪些微生物和基因变得特别丰富。

一个基因格外突出。它在含有LCAP的森林土壤中特异性显著富集，表明它可能在分解这种可生物降解聚酯方面发挥重要作用。

进一步分析显示，该基因产生一种酯酶，这是一种能够断裂酯类中某些化学键的酶。这些化学键存在于许多天然物质以及各种可生物降解聚酯中。

这种特定酶尤其有趣之处在于它在细菌细胞上的位置。

它的遗传指令包括一个分泌信号，引导酶到细胞外，还包括一个脂质锚，将其牢牢固定在细胞膜上。

这种安排意味着该酶可以附着在细菌表面，同时攻击附近的塑料分子。其异常暴露的活性位点也为酶与聚合物链相互作用提供了空间。

研究人员找到了他们正在寻找的分子机制，以及他们命名为“吃豆人”的这种酶。

与抗生素耐药性的意外联系

当科学家检查这种酶的分子结构时，这一发现变得更加耐人寻味。

尽管它类似于以断裂酯键而闻名的酯酶，但它也与另一类重要的细菌酶——β-内酰胺酶——具有结构相似性。

这些酶因在抗生素耐药性中的作用而广为人知。一些细菌产生β-内酰胺酶，通过打开抗生素化学结构中的一个关键部分——即β-内酰胺环——来使青霉素等抗生素失效。

“它的结构类似于酯酶，但也类似于β-内酰胺酶，后者是能够裂解某些抗生素（如青霉素）的β-内酰胺环、从而使细菌对抗生素具有耐药性的细菌酶，”勒纳说。

实验室实验证实，新发现的酶能够执行这两类化学反应。

它可以将聚酯链分解成其各自的构建单元，即单体，同时还能裂解青霉素。

这种双重活性尤其令人惊讶，因为塑料降解和抗生素分解通常被认为是彼此独立的生物学功能。

这一发现提出了一种可能性：一些参与塑料分解的酶也可能促进抗生素耐药性。然而，证明一种酶能够在实验室中化学分解青霉素，并不等于证明它能为活细菌提供抗生素耐药性。

吃塑料细菌能帮助解决塑料污染吗？

这一发现还提出了一个更广泛的问题：微生物能以多快的速度适应进入其环境的合成材料。

在地球历史的大部分时间里，塑料污染并不存在。微生物进化出酶来消化天然存在的物质，包括植物纤维和其他复杂有机分子。

现代塑料向环境中引入了大量新的潜在碳源，但其中许多材料在化学上仍然无法被微生物利用。

“塑料际是我们环境中的一种新栖息地，”施莱赫克解释说。

“人类大量向环境中引入塑料只有大约50到75年。从那时起，理论上它就可作为微生物群落——如细菌、酵母和真菌——生长所需的额外碳源和能源。所谓‘理论上’，我的意思是它们当然愿意把塑料用作生长底物——但它们不能，因为这些材料实际上无法被微生物代谢消化，因此几乎不会被降解。”

“吃豆人酶”表明，对于每一种塑料而言，这一障碍可能并非绝对。

一些细菌似乎能够利用特化酶攻击可生物降解聚酯，从而可能使它们能够将这些材料作为能源和养分来源加以利用。

对于研究塑料污染的科学家来说，这一发现提供了一个有希望的线索，说明如何改进生物降解。它还表明，微生物群落适应某些合成聚合物的速度可能比此前预期的更快。

然而，这些结果并不意味着细菌突然能够消耗环境中已经积累的大量传统塑料。实验显示，即使可生物降解塑料发生分解，聚乙烯仍基本未受影响。

相反，研究人员强调了设计微生物实际能够消化的材料的重要性。

“我觉得这令人鼓舞，因为细菌似乎能够比我们预期更快地适应分解聚酯塑料。要解决塑料污染这一环境问题，我们人类需要与微生物的能力协同合作。理想情况下，这将意味着只使用具有生物化学断点的聚合物，例如LCAP等聚酯或其他类型生物塑料中的可水解酯键，”施莱赫克总结道。

这一发现让人们一窥一种可能更可持续的塑料生产方式。科学家不必指望微生物分解那些天然抗分解的材料，而是可以开发具有特定化学结构的塑料，使生物回收成为可能。

“吃豆人酶”说明了细菌如何利用这些分子弱点，为塑料污染、微生物适应以及可生物降解材料的未来之间的关系提供了新见解。

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