圖 | 通過宏基因組分析發(fā)現(xiàn)的塑料降解基因及其在不同垃圾填埋場環(huán)境中的相對豐度塑料污染是當(dāng)今全球面臨的一個嚴(yán)峻環(huán)境問題，每年有數(shù)百萬噸的塑料廢棄物被排放到環(huán)境中，預(yù)計到 2050 年，環(huán)境中將積累約 110 億公噸塑料。其中，垃圾填埋場成為了塑料廢棄物的主要歸宿。近日，研究人員發(fā)現(xiàn)，這些填埋場不僅是塑料廢棄物的集中地，還因其獨特的物理、化學(xué)和生物條件，成為了孕育能夠降解塑料的微生物的理想場所。

這主要是因為在長期的演化過程中，垃圾填埋場中的微生物逐漸適應(yīng)了塑料的存在，并發(fā)展出了降解塑料的能力。這些微生物通過分泌特定的酶，能夠?qū)⑺芰戏纸鉃楦〉姆肿樱踔磷罱K轉(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)，這種自然選擇的塑料降解能力為應(yīng)對塑料污染提供了新的思路。

最近，來自安徽大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、西湖大學(xué)、密歇根大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等多個單位的研究人員共同在 PNAS Nexus 上發(fā)表了一篇題為“Natural-selected plastics biodegradation species and enzymes in landfills”的研究。研究人員通過宏基因組學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，從全球范圍內(nèi)的垃圾填埋場中收集了大量數(shù)據(jù)，揭示了垃圾填埋場中塑料降解微生物和酶的多樣性。

首先，研究團(tuán)隊從中國、意大利、加拿大、英國、牙買加和印度等國家的 21 個城市的垃圾填埋場及其相關(guān)環(huán)境中采集了 148 個宏基因組樣本，樣本涵蓋了垃圾、滲濾液、污泥以及空氣中的顆粒物等。通過宏基因組學(xué)獲得了 24 種用于塑料生物降解的酶和 27 種物種，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)獲得了 712 種具有塑料降解潛力的酶和 150 個宏基因組組裝基因組。

通過對這些樣本的宏基因組分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了 117 個與塑料降解相關(guān)的基因，并預(yù)測了 978,107 個潛在的塑料降解基因。

圖 | 通過宏基因組分析發(fā)現(xiàn)的塑料降解基因及其在不同垃圾填埋場環(huán)境中的相對豐度

為了更精準(zhǔn)地預(yù)測塑料降解酶的功能，研究團(tuán)隊采用了機(jī)器學(xué)習(xí)模型 CLEAN。傳統(tǒng)的酶功能注釋方法依賴同源性比對，在揭示微生物群落潛在的塑料降解能力方面存在局限。而 CLEAN 模型借助對比學(xué)習(xí)框架，能從海量未知的蛋白質(zhì)序列中挖掘潛在的酶功能。研究結(jié)果顯示，CLEAN 模型預(yù)測出 978,107 個潛在的塑料降解酶基因，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方法的預(yù)測數(shù)量。這些預(yù)測的酶大多屬于水解酶類，理論上能夠降解多種塑料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氨酯（PU）和聚乳酸（PLA）等。通過機(jī)器學(xué)習(xí)，研究團(tuán)隊不僅擴(kuò)充了已知的塑料降解酶庫，還進(jìn)一步揭示了垃圾填埋場中微生物群落的多樣性和功能性。

圖|相比傳統(tǒng)方法，CLEAN 模型能夠識別出更多的潛在塑料降解基因

隨后，研究人員進(jìn)一步對部分預(yù)測的塑料降解酶進(jìn)行功能驗證。他們挑選出一部分酶進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)建模和功能分析，這些酶主要分為蛋白酶、水解酶、酰胺酶和羧酸酯酶 / 脂肪酶四類。通過結(jié)構(gòu)建模和比對發(fā)現(xiàn)，這些酶普遍具有典型的催化三聯(lián)體結(jié)構(gòu)（如 Ser-His-Asp），并且與已知的塑料降解酶在結(jié)構(gòu)上高度相似。深入分析這些酶的遺傳多樣性、保守結(jié)構(gòu)域、基序排列和代表性三級結(jié)構(gòu)后，研究人員發(fā)現(xiàn)許多酶具備獨特功能和強大的塑料降解潛力。例如，在蛋白酶中，Pr1 和 Pr2 蛋白都含有典型的 Ser-His-Asp 三聯(lián)體，Pr1 被預(yù)測為肽酶 K，Pr2 則展現(xiàn)出功能多樣性，可能參與多種塑料的降解過程。

除了酶，研究人員還關(guān)注了這些酶的生產(chǎn)者——微生物。他們通過宏基因組組裝技術(shù)，獲得了 1537 個宏基因組組裝基因組（MAGs）。其中，有149 個 MAGs 被預(yù)測攜帶塑料降解基因。這些 MAGs 主要屬于假單胞菌門和放線菌門，在垃圾和接種了城市固體廢物和垃圾填埋場滲濾液再循環(huán)的生物反應(yīng)器中含量十分豐富。

研究人員還通過三級結(jié)構(gòu)建模、疊加分析和宏基因組組裝基因組（MAG）重建，推斷出 712 種預(yù)測蛋白質(zhì)的催化活性和微生物宿主。不過，研究團(tuán)隊也指出，需要進(jìn)一步開展研究來確認(rèn)這些預(yù)測蛋白質(zhì)的功能，一旦得到驗證，它們多樣的功能將為處理塑料垃圾帶來更廣闊的應(yīng)用前景。

總之，這項研究取得的進(jìn)展讓我們意識到垃圾填埋場不僅是塑料廢棄物的集中地，還具有眾多可供利用的微生物和酶，未來。我們有望利用這些極具潛力的微生物，開發(fā)出更高效的塑料降解技術(shù)，為塑料污染提供新的解決思路。

參考文獻(xiàn)：

1. Xiaoxing Lin et al, Natural-selected plastics biodegradation species and enzymes in landfills, PNAS Nexus (2025). DOI: 10.1093/pnasnexus/pgaf066

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