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在森林土壤中埋藏一年后，长链脂肪族聚酯（LCAP）生物塑料薄膜被微生物完全降解，并留下与细菌细胞尺寸吻合的微小孔洞。德国康斯坦茨大学的研究团队从中鉴定出一种新型细菌酯酶，其活性位点形似“Pac-Man”，能够同时水解聚酯塑料和青霉素。这项发现不仅揭示了微生物降解塑料的分子机制，还提示塑料圈可能成为抗生素耐药性的新温床。

森林埋藏实验：生物塑料在一年内完全降解

几十年来，合成塑料垃圾在海洋中积聚，破碎成危险的微塑料和纳米塑料，根本原因在于生物世界无法快速消化它们。微生物确实会定殖在这些合成材料上形成生物膜，创造出一个独特的微生物栖息地——研究人员称之为“塑料圈”（plastisphere）。问题不在于微生物缺乏“食欲”，而在于现代合成聚合物与细菌天然拥有的酶之间存在深刻的化学错配。

康斯坦茨大学的研究人员现在鉴定出一种能够攻击某些聚酯和生物塑料的酶。其宽大的开放活性位点让团队将其命名为“Pac-Man酶”。实验室测试还显示，同一种酶能够裂解青霉素，这提高了它可能帮助细菌抵抗某些抗生素的可能性。

生物学家Harry Lerner和David Schleheck在调查微生物群落是否能完全降解长链脂肪族聚酯（LCAPs）时发现了这种酶。这些材料由化学家Stefan Mecking的团队开发，该团队参与了这项发表在《The ISME Journal》上的研究。

“我们将小块LCAP生物塑料薄膜埋在大学植物园森林的腐殖质层上部，约10厘米深，”Lerner解释道。“这一层正是纤维素和其他天然聚合物（如角质——一种植物基聚酯）分解的地方。”

研究人员将森林样本原封不动地放置了整整一年，埋深约4英寸。在一项平行的实验室实验中，他们将粉末状生物塑料混入相同的森林土壤样本中，并在一年内密切追踪二氧化碳的产生。由于微生物呼吸会释放二氧化碳，这些测量使团队能够追踪微生物消耗材料的过程。

“纤维素、其他类型的生物塑料如PHBV和PCL，以及高密度塑料（HDPE）和未处理土壤被用作实验室的对照。我们发现所有生物塑料材料在大约250至330天内完全降解。纤维素在大约80天后分解，而HDPE几乎不发生降解，”Lerner说。

当研究人员从森林中回收埋藏的LCAP薄膜时，电子显微镜显示材料上出现了微小的孔洞。每个开口的大小和形状都与单个细菌细胞吻合。

“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进入材料内部并嵌入薄膜中，留下正是这种类型的微观孔洞，”Lerner解释道。

宏基因组挖掘：鉴定出双重功能的家族VIII酯酶

团队通过提取和测序土壤微生物群落中的所有DNA来寻找负责的酶。Lerner随后分析这个宏基因组，以确定在LCAP降解过程中哪些微生物和基因变得更加丰富。

一个基因仅在含有LCAP的森林土壤中高度富集。它编码一种酯酶，带有分泌信号，引导酶排出细菌细胞，以及一个膜结合脂质锚，将其牢牢固定在细胞表面。这种安排将允许细菌在进食时携带酶直接接触塑料。

“其结构类似于酯酶，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-内酰胺环的细菌酶，从而使细菌对抗生素产生耐药性，”Lerner说。

在实验室实验中，该酶将聚酯分解为单体——它们各自的分子构建块，同时也裂解青霉素。这些结果证实了其双重生化功能，提示它可能在塑料降解的同时参与抗生素耐药性。

“塑料圈是我们环境中的一个新栖息地，”Schleheck解释道。“人类大规模向环境中引入塑料只有大约50到75年的时间。从那时起，理论上它就可以作为微生物群落——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想利用塑料作为生长底物——但它们不能，因为这些材料实际上无法被微生物代谢消化，因此几乎不被降解。”

塑料圈与抗生素耐药性：一个令人担忧的交集

Pac-Man酶的发现表明，某些微生物可能能够专门分解聚酯塑料。然而，加速环境降解需要尽可能使用可生物降解塑料，而不是依赖微生物消化顽固的合成材料。

“我觉得这很令人鼓舞，因为细菌似乎能够比我们预期更快地适应分解聚酯塑料。为了解决塑料污染的环境问题，我们人类需要与微生物的能力合作。理想情况下，这将涉及只使用具有生化断裂点的聚合物，例如LCAP或其他类型生物塑料中聚酯的可水解酯键，”Schleheck总结道。

这项研究不仅揭示了细菌降解塑料的分子机制，还提出了一个重要的公共卫生问题：塑料圈中富集的酶可能同时赋予细菌抗生素耐药性。随着塑料污染持续加剧，理解塑料圈中微生物的进化动态对于评估抗生素耐药性的环境传播风险至关重要。