塑料污染催生海洋新生态：全球80%海域检出“吃塑料”细菌

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在太平洋马里亚纳海沟10900米深处的沉积物中，科学家意外发现了一种能分泌PET降解酶的假单胞菌。这一发现揭开了海洋微生物与塑料污染协同进化的新篇章——根据《ISME》最新刊发的突破性研究，全球海洋中近80%的水体样本均检测到具备塑料降解潜力的细菌，其中23种新型PETase酶在1000-2000米深海区域形成密集分布带。

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这项由沙特阿卜杜拉国王科技大学主导的跨国研究，整合了塔拉海洋科考船和马拉斯皮纳探险计划的415份海洋样本数据。通过人工智能辅助的蛋白质结构预测技术，研究团队首次构建出PET降解酶的"功能图谱"，在庞杂的α/β-水解酶家族中精准识别出具备催化活性的M5型PETase酶。这些酶携带独特的"催化三联体"结构（丝氨酸-天冬氨酸-组氨酸），其活性位点口袋的甲硫氨酸残基构成特殊的"氧阴离子孔"，使酶能稳定结合PET分子并启动降解反应。

研究最引人注目的发现是海洋PETase酶的深度分布特征：在永久温跃层（1000-2000米）检测到最高丰度，较表层水体高出10倍以上。这与全球海洋塑料微粒的沉降轨迹高度吻合——当表层塑料碎片吸附微生物群落后，其密度增加导致沉降，在深海缺氧环境中反而形成了"塑料-微生物"共生系统。南极海域的Moraxella菌株和大西洋4000米深处的Halopseudomonas菌株，其分泌的PETase酶在体外实验中展现出相当于人工改造酶70%的降解效率。

研究人员最初在实验室复筛时震惊于深海菌株的表现。携带完整M5基序的ISS-1242菌株在85天内使PET薄膜质量减少2.7%，其表面形成的纳米级蚀刻纹路由原子力显微镜清晰可见。这种降解能力与菌株基因组的"分泌信号肽"密切相关——只有同时具备完整催化三联体和胞外运输通道的细菌，才能将酶有效输送至塑料表面。

PET薄膜的扫描电子显微镜（SEM）显微照片显示，21天时Halopseudomonas ISS-1242细胞已在其表面定殖。每个图框中均标注了比例尺。插图显示的是未接种细菌培养的PET薄膜，用作对照。左图中的箭头指示附着于PET生物膜表面的细菌细胞；中图和右图中细菌细胞的放大图显示了细胞与PET薄膜表面的接触点

研究团队开发的"五阶基序筛选系统"（M1-M5）革新了功能酶识别范式。早期研究常基于保守的DLH结构域进行广谱筛查，但该方法将40%以上的假阳性序列误判为PETase。通过引入"四甘氨酸核心"（GGGG）、"芳香钳"（W/F-H）等结构特征，并建立催化效率评分体系，最终锁定的23种M5型酶在体外实验中全部展现降解活性，而低等级基序（M1-M4）对应的酶均无催化作用。

海洋微生物转录组数据揭示惊人现实：在检测到塑料微粒的样本中，M5-PETase基因的表达量比未污染区域高10倍，且与MHET水解酶形成"代谢双子"。这暗示着海洋微生物群落正在建立完整的PET降解代谢链——如同2016年发现的Ideonella sakaiensis菌株，通过PETase和MHETase的协同作用将塑料转化为对苯二甲酸和乙二醇。不过目前发现的海洋菌株大多缺乏MHETase基因，需依赖菌群协作完成矿化过程。

在进化时间尺度上，研究团队追溯到1990年南极海域分离的Moraxella sp. TA144菌株，其基因组编码的脂酶P19833早在2016年前就具备降解结晶态PET的能力。这表明PET降解功能在塑料大规模污染前就已存在，海洋微生物可能通过"功能趋同进化"，将原本分解角质、蜡质的酶系统改造为塑料降解工具。这种适应性进化在假单胞菌属中尤为显著，其基因组的高可塑性（平均15%的基因组为水平转移获得）为快速响应环境压力提供了遗传基础。

值得关注的是，海洋与陆地生态系统的PETase酶呈现明显分化：陆地样本中放线菌门（如链霉菌）和β-变形菌占比达63%，而海洋中92%的活性酶来自假单胞菌目和Gemmatimonadota门。这种差异可能源于海洋环境的碳源竞争压力——在寡营养海域，能利用"塑料碳库"的菌株获得显著生存优势。实验显示，在添加微量酵母膏的培养体系中，ISS-1242菌株的降解效率提升4倍，暗示实际海洋环境中微生物协同作用对塑料矿化至关重要。

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尽管天然PETase酶的催化效率尚不及人工改造版本，但其广泛存在性揭示了海洋生态系统的自我修复潜力。研究团队正在建立全球海洋微生物酶库，通过结构生物学手段解析深海菌株的耐压、耐低温机制。未来或将利用合成生物学技术，将海洋菌株的广谱底物适应性与人工酶的高效催化特性相结合，开发新一代生物降解解决方案。

这项研究也警示：当前海洋塑料污染已改变微生物进化轨迹。在检测到M5-PETase的区域中，78%与微塑料热点区域重叠，包括南大西洋环流区和印度洋赤道带。随着每年1100万吨塑料持续涌入海洋，微生物群落的代谢重塑可能带来未知的生态后果。科学家呼吁建立全球海洋微生物监测网络，既要利用生物降解潜力，也要防范潜在的"塑料适应性"微生物扩散风险。

参考

Intikhab Alam, Ramona Marasco, Afaque A Momin, Nojood Aalismail, Elisa Laiolo, Cecilia Martin, Isabel Sanz-Sáez, Begoña Baltá Foix, Elisabet L Sá, Allan Kamau, Francisco J Guzmán-Vega, Tahira Jamil, Silvia G Acinas, Josep M Gasol, Takashi Gojobori, Susana Agusti, Daniele Daffonchio, Stefan T Arold, Carlos M Duarte, Widespread distribution of bacteria containing PETases with a functional motif across global oceans, The ISME Journal, Volume 19, Issue 1, January 2025, wraf121,