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利用微生物吞噬海洋中的塑料废料

作者:Nicolas Kalogerakis

塑料占所有海洋垃圾的近70%,使无数水生物种面临危险。最近,科学家Nicolas Kalogerakis 团队发现微小的海洋微生物可以侵蚀塑料,将垃圾慢慢分解。

当塑料进入海洋,由于非生物和生物机制的协同作用,它们会发生降解。

塑料制品在海洋表面受到紫外线辐射、温度波动和机械力的影响,导致其物理化学性质发生变化,并碎裂成微塑性材料,进而变成纳米塑料。

非生物降解先于、并刺激生物降解,随着高分子量聚合物分解为更小的聚合物,表面上产生羰基。

各种各样的生物可以在风化的表面上沉淀下来,将其用作基质和碳源。

几种细菌属被认为是塑料殖民者,像硅藻、纤毛虫和苔藓虫是塑料相关微生物群的代表。

他们发现了一些能够修改或降解不同聚合物的酶,通过酶工程方法,可以提高其催化活性。

为了进行这项研究,研究人员从希腊Chania的两个不同海滩收集风化塑料。垃圾已经暴露在阳光下,并经历了化学变化,使其变得更加易碎,所有这些都需要在微生物开始啃食塑料之前发生。

这些塑料片要么是聚乙烯,例如杂货袋和洗发水瓶等塑料产品,要么是聚苯乙烯,一种食品包装和电子产品中的硬塑料。

研究小组将两种微生物都浸泡在盐水中,其中一种是自然产生的海洋微生物,另一种是利用食碳微生物菌株增强的工程微生物,它们可以完全依靠塑料中的碳存活。

科学家们随后分析了5个月内这些物质的变化。

科学家发现这两种塑料在暴露于天然和工程微生物后,都减轻了相当大的重量。微生物进一步改变了材料的化学组成,导致聚乙烯PE的重量下降了7%,聚苯乙烯PS的重量下降了11%。

这些发现可能提供了一个新的方法,以帮助打击海洋污染:部署海洋微生物吞噬垃圾。然而,研究人员仍然需要测量这些微生物在全球范围内的有效性。

这项研究揭示了自然风化聚合物表面的物理化学变化以及生物膜形成和降解过程中聚合物浮力的变化。

为了支持降解假设,Nicolas Kalogerakis团队进行了一个微观实验,将自然风化的塑料片与一个当地远洋群落一起培养。

为了描述聚合物的理化性质(FTIR、SEC和GPC、沉降速度)以及生物膜群落(NGS)的变化,研究人员进行了一系列的分析。

在第二阶段结束时,微处理聚乙烯薄膜表面的双键部分增加,而PS薄膜的轮廓也发生了变化。在第5个月时,聚乙烯片的分子量随着培养时间的延长而增加,达到初始片的分子量(230000 g mol−1),但浮力在整个实验期间没有表现出任何差异。

本地INDG的和生物强化BIOG后处理的PS片平均分子量分别下降33%和27% ,这意味着链断。

与初始风化片相比,PS片表面生物膜的下沉速度加快(超过30%)。

红杆菌目、海螺目和伯克霍尔德菌目主要分布在不同的平台群落中,芽孢杆菌属和假诺卡氏菌属与这些浮游类群组合区别开来。

功能分析显示携带外源性和碳氢化合物降解基因的粘附细胞过度表达。

考虑到这些因素,研究人员认为量身定制的海洋群落有能力在塑料混合物的存在下蓬勃发展,并参与其降解。

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1.材料和方法

1.1。样品采集

从希腊Chania的两个沙滩上采集自然风化的PE和PS塑料。

然后用水和肥皂清洗,70%乙醇溶液进行表面消毒。将大型塑料制品切割成具有1 cm2表面积的小块,称重,并将四块按特定顺序固定在一条钓鱼线上。

1.2。实验设计

在浓缩滤过盐水(C:N:P比值为100:10:1)中分两个阶段进行微观实验。

在第一阶段,自然风化的PE和PS膜仅暴露于远洋微生物群落(原生态INDG)中,或使用能够以PE或PS作为唯一碳源生长的菌株进行生物修饰(生物修饰BIOGAL)。

在第一阶段结束时,收获聚合物表面已形成的生物膜,并使用新的自然风化膜(第一阶段不暴露于微生物联合体)重复整个实验,收获的生物膜作为接种物。

在第二阶段,每个复制品中的一条钓鱼线每月永久性地被移除,以便进一步分析,而每个阶段持续5个月。

1.3。减重

从附着的塑料件上去除生物膜,然后在50°C下进一步清洗和干燥3天。所有薄片的重量用6位数字的天平测量,并计算重量损失的百分比。

1.4。分析技术

用衰减全反射傅立叶变换红外光谱(FTIR)检测聚合物表面上的官能团,同时用凝胶渗透色谱(GPC)分析PS残余聚合物。

1.5。下沉速度

在温度控制室(20摄氏度)中,使用装满海水(密度1027.1 kg m-3)的沉降筒(高度50 cm,直径8_cm)测定下沉速度。

1.6。微生物社区结构

在第二阶段,每月估计游离和附着的微生物种群的增长。通过刮聚合物表面获得的水和生物膜样品,并用标准I培养基在平板上培养。

在20℃培养7天后测量菌落。从中提取DNA扩增,进行16S rDNA基因测序。根据16S rRNA基因测序数据,利用系统发育参考基因组数据库PICRUSt预测功能基因。

1.7。数据分析

对FASTQ文件进行高通量测序数据分析。使用PANDAseq V2.8,并使用QIIME包 V1.9.1进一步分析。



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参考文献

These tiny microbes are munching away at plastic waste in the ocean

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