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原創(chuàng) 桂恒 中國科學(xué)院昆明植物研究所

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(yán)重威脅。環(huán)境中的多樣化的微型真菌被認(rèn)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(xué)層面的深入研究。

圖1 該研究的圖形摘要

近日，中國科學(xué)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(xué)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(xué)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衔铩Ｑ芯咳藛T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(xué)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(xué)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(xué)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。

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文：桂恒