综述：微生物降解微塑料：有效性、挑战与可持续解决方案

《Current Research in Microbial Sciences》：Microbial Degradation of Microplastics: Effectiveness, Challenges, and Sustainable Solutions

　　本综述系统阐述了微生物（细菌、真菌、藻类）通过酶促过程降解微塑料（MPs）的潜力、机制与挑战。文章详细探讨了针对聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）等常见聚合物的降解效能与局限，指出当前微生物降解率普遍较低（0-15%）。综述强调了宏基因组学、酶工程等先进技术在优化降解条件（有望10小时内实现90%降解）方面的前景，并呼吁未来研究聚焦关键微生物菌株、降解途径及环境基质影响，以开发可持续的MPs污染解决方案。

　　

微塑料：无处不在的环境挑战

微塑料（MPs），通常指尺寸在1 μm至5 mm之间的塑料颗粒，已成为陆地和水生环境中普遍存在的污染物，对生态系统和人类健康构成显著风险。其来源主要分为初级微塑料（如微珠、微纤维、油漆和药物添加剂）和次级微塑料（由大型塑料制品降解产生）。全球塑料废物管理不善，导致大量MPs进入环境，尤其是海洋生态系统，估计每年有80-90%的MPs来自陆地源。

微塑料的定义与类型

“微塑料”一词源于20世纪90年代。根据尺寸，大于25 mm的塑料碎片被归类为大塑料，5-25 mm之间的为中塑料，小于100 nm的为纳米塑料。MPs按其来源分为初级和次级。初级MPs是故意制造的小尺寸颗粒，用于个人护理产品和工业应用。次级MPs则是由较大的塑料物品通过化学（如紫外线照射）、物理（如波浪作用）或生物机制（如微生物降解）碎裂而产生。

微塑料的环境来源与影响

MPs污染来源广泛。家庭和农业废弃物是重要来源，农业塑料的年消耗量巨大，但回收率极低。道路灰尘是MPs的一个重要贡献者，主要来自轮胎磨损、道路材料和解体的塑料垃圾。工业和医疗活动也产生大量塑料废物，特别是在COVID-19疫情期间，个人防护装备（PPE）的使用激增加剧了这一问题。个人护理产品（PCPs）中的微珠是MPs的另一个主要来源。

MPs对水生生物构成严重威胁，容易被摄食，导致胃肠道阻塞、生长受阻、氧化应激，并可作为载体吸附持久性有机污染物（POPs）和重金属，导致毒素在食物链中生物累积和生物放大，最终可能影响人类健康。

微生物降解微塑料的机制

MPs的生物降解是一个复杂的过程，主要涉及三个主要阶段：微生物在MPs表面的初始附着、微生物利用MPs作为碳源、以及MPs本身的分解。微生物（如细菌、真菌、藻类）通过形成生物膜并分泌细胞外酶（如水解酶和氧化还原酶）来降解聚合物。这个过程包括生物恶化（改变表面性质）、生物碎裂（将大聚合物分解成小分子）、生物同化（微生物吸收小分子）和最终矿化（产生CO₂、H₂O等无机物）。

细菌在微塑料降解中的作用

细菌是降解MPs的主力军，广泛存在于污染土壤、海洋沉积物、废水等多种环境中。例如，从红树林沉积物中分离出的Bacillus cereus和Bacillus gottheilii能降解聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）等多种聚合物。Rhodococcus ruber能形成生物膜并降解聚乙烯。Pseudomonas菌株通过烷烃羟化酶和还原酶降解PE。细菌 consortium（如Bacillussp. 和 Paenibacillussp.）的降解效果通常优于单一菌株。关键降解细菌属包括Bacillus、Pseudomonas、Rhodococcus、Ideonella sakaiensis（能产生PETase和MHET酶）等。

真菌在微塑料降解中的贡献

真菌因其强大的酶系统而在降解复杂聚合物（如芳香族化合物）方面表现出色。它们能分泌各种水解酶和氧化还原酶（如漆酶、过氧化物酶）。真菌如Aspergillus niger、Zalerion maritimum和Penicillium simplicissimum能降解PE、PP和PET。Pestalotiopsis microspora能降解聚氨酯（PU）。真菌通过其菌丝附着力、疏水蛋白和酶促反应，有效降低聚合物的疏水性并催化形成酯基、羰基等官能团，促进降解。

微藻在微塑料降解中的潜力

微藻（如Chlorella vulgaris、Scenedesmus dimorphus）和蓝细菌（如Anabaena spiroides）能在光自养条件下生长，利用CO₂作为碳源，并能通过产生的酶和毒素降解聚合物。它们易于培养，并能形成生物膜。基因工程改造的微藻（如Chlamydomonas reinhardtii、Phaeodactylum tricornutum）已能生产PET水解酶，显示出利用藻类进行生物降解的巨大潜力。

增强微塑料生物降解的策略

为了提高MPs的生物降解效率，可以采用多种策略。物理（如紫外线照射、热处理）和化学（如硝酸处理）预处理可以破坏聚合物结构，引入含氧官能团，使其更容易被微生物攻击。生物刺激通过添加营养物质（如葡萄糖、KNO₃）和优化环境条件（如pH、温度、氧气）来增强土著微生物的活性。生物增强则引入外源高效降解菌株，但存在适应性挑战和生态风险。共代谢策略，即添加初级底物以刺激降解酶的产生，也被证明有效。生物表面活性剂的生产菌株（如Bacillus、Pseudomonas）能提高疏水性污染物的生物可利用性。

未来展望与挑战

尽管微生物降解MPs前景广阔，但仍面临降解速率慢、环境条件影响大、矿化不完全可能产生有毒中间体、已知高效降解菌株有限等挑战。未来研究应侧重于利用蛋白质工程和合成生物学改良酶（如PETase、cutinase）的催化效率和稳定性；通过组学技术从塑料圈微生物组中发现新酶和途径；设计合成微生物菌群以实现协同降解；开发物理化学预处理与生物处理相结合的混合修复系统；并进行系统的生态毒理学评估和现场中试，以确保解决方案的可扩展性、韧性和环境安全性。

结论

微生物（特别是细菌和真菌）降解是应对微塑料污染的一种有前景的可持续策略。通过优化微生物菌株、酶系统、环境条件以及整合生物技术与工程方法，有望开发出高效、安全的MPs生物修复方案，为缓解全球塑料污染做出重要贡献。