同位素示踪和分子生物学方法分析高效生物降解聚苯乙烯的过程及其代谢体系

To date, the complete mineralization of plastics has been widely considered to last hundreds of years in natural environment. Recently, we have found that an insect can eat polystyrene (PS) as a sole food source and is capable of digesting PS rapidly within one day. Our previous tests demonstrated this novel capability of the insect. In the proposed work, the objectives are to conduct comprehensive investigation on the digestion process and mechanism of PS degradation by the insect. The test approaches are: a) to perform 13C stable isotopic experiment to verify the mineralization of PS to CO2 and determine the mineralization rate; b) to use microelectrode and molecular biotechnological methods to characterize the microbial community and ecology in the insect gut; and c) to investigate the enzymes involved, the pathway of PS digestion and genes relevant to the biodegradation by using advanced technologies such as stable-isotopic probing, metagenomic, transcriptome and proteomics. The results of proposed work expected to greatly improve fundamentally understanding of plastic biodegradation and help in the development of cost-effective biological approaches for the degradation and recover PS or other plastics based on building bio-inspired gut "bioreactor" and directional controlled genetic engineering microbes.

在自然界中，石油基聚烯烃塑料被普遍认为是不能或难以生物降解的。我们最近发现并已初步证实，聚苯乙烯被某种昆虫进食后可在其体内快速降解。在此基础上，本项目拟以此能取食和代谢聚苯乙烯的昆虫为对象，全面考察该聚苯乙烯高效生物降解机制。拟采用δ13C同位素示踪技术，建立以CO2为最终降解产物的生化动力学模型。解析代谢机制包括：用耦合微电极检测肠道微生态环境特征并分析其作用；用分离培养、同位素核酸探针技术、微生物宏基因组测序等技术，分析昆虫肠道共生微生物的作用并确认功能基因；用转录组和蛋白组等技术，解析昆虫本身代谢酶系和功能基因；在此基础上构建完整的聚苯乙烯代谢路径。从系统仿生原理出发，试图构建一种以肠道仿真环境和定向调控的基因强化工程菌群落为核心的聚苯乙烯废塑料生物处理技术，并为改善塑料生物降解性能和开发新型塑料提供依据。

石油化工生产的塑料废物污染是世界环境难题。数十年来聚乙烯和聚苯乙烯等石油基塑料由于其物理化学结构稳定一直被认为在自然环境中可能数百年不能生物降解的，巨量塑料消费产生的固体废物正严重污染土壤、河流、湖泊、填埋场和全球海洋等。2016年全球塑料年产量已经达到3.2亿吨。仅美国一年就要消费废弃3200万吨，其中只有9%回收利用。中国2013年塑料产量全球占比已经高达24.8%，2010年人均年塑料用量增加到40 kg。1950年代以来，虽然偶有微生物降解石油基塑料的报道，但有效的塑料降解证据还是非常有限。本项目根据项目负责人杨军在2004年春节从自家厨房粮柜中偶然发现的蜡虫（印度谷螟的幼虫）啮食聚乙烯塑料袋的现象，开始昆虫降解石油基塑料的研究。开展了黄粉虫降解聚苯乙烯塑料的系统深入研究。采用13C同位素示踪等综合手段证实了黄粉虫能在24小时内高效降解聚苯乙烯，黄粉虫可以将苯乙烯完全降解矿化为二氧化碳和同化为虫体脂肪。揭示了黄粉虫肠道微生物发挥降解塑料关键作用，并分离得到聚苯乙烯高效降解肠道细菌，解析了黄粉虫肠道细菌种群结构。拓展研究了蜡虫啮食降解聚乙烯的现象。从蜡虫肠道分离出聚乙烯高效降解菌，完成了降解菌Bacillus sp. YP1的全基因组注释和系统进化关系，分离鉴定了芽孢杆菌YP1降解聚乙烯的关键酶，采用水接触角、FTIR、XPS、SEM和AFM等方法表征了酶解能力，初步推断了Bacillus sp. YP1降解聚乙烯的可能途径。本项目从虫子吃塑料的自然生活现象出发，证实了蜡虫和黄粉虫等昆虫及其肠道微生物可以高效降解聚乙烯和聚苯乙烯，为发掘降解高分子材料的微生物资源创造了一个新方向。揭示了细菌能够利用过去被认为不可能生物降解的石油基塑料，这是近十几年来环境科学领域最大突破之一，为解决全球塑料污染问题打开了一扇新的大门。