米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）生物过程研究部微生物生态工程研究组研究员黑田恭平研究员、研究组组长成广隆、合成生物工程研究组首席研究员 Masaru K Nobu 等人正在研究用于塑料瓶等的聚对苯二甲酸乙二醇酯（以下简称“PET”）单体，对苯二甲酸双(2-羟乙基)酯（以下简称“BHET”）和持久性物质对苯二甲酸二甲酯（以下简称“DMT”）在无氧环境（以下简称“厌氧环境”）中会发生分解，并提出了基于微生物培养和基因组信息的新净化机制。
排放到环境中的塑料材料经过物理化学或微生物分解，变成微塑料和纳米塑料。塑料的分解过程会向环境中释放各种副产物，但在地下、河流、湖泊和海洋沉积物等厌氧环境中的分解行为尚不清楚。
AIST模拟厌氧环境，开发降解BHET和DMT的微生物，其降解机制未知丰富文化同时，我们测量了代谢物并证明 BHET 和 DMT 可以生物降解。另外，鸟枪法宏基因组分析和蛋白质 3D 结构预测，我们成功地估计了负责 BHET 和 DMT 厌氧分解的微生物衍生酶。这项研究的结果将有助于学术界对 PET 相关物质的环境动力学和微生物新功能的理解。该成果发表在国际学术期刊``化学工程杂志'' 于 2022 年 7 月 5 日以在线版本发布。
PET 是用于塑料瓶等物品的塑料材料之一。 PET的市场规模逐年增大，预计PET生产将在全球范围内持续发展。 PET是以高纯度对苯二甲酸（以下简称“PTA”）和DMT为主要原料生产的。生产过程中排放的有机废水对环境影响较大，主要采用厌氧生物废水处理方法进行处理，在净化的同时产生甲烷。由于紫外线和生物体的分解，包括 PET 在内的塑料会分解成微塑料和纳米塑料，因此人们担心摄入这些塑料的水生和陆生动物对健康的影响。塑料分解的研究是在假设存在氧气的有氧环境（例如海洋表面）的情况下进行的，但对于没有氧气的厌氧环境中的分解机制尚有许多未知数。大约80%的塑料垃圾被丢弃在地下垃圾填埋场并在自然环境中积累，并且在深海海底发现了存在高浓度微塑料的热点。因此，需要基础知识来了解塑料在厌氧环境中的分解行为。然而，关于生活在厌氧环境中的塑料降解微生物的信息很少。
AIST、内阁办公室生物策略2030 年目标生物经济为了为社会的实现做出贡献，我们的目标是在社会上实施“以循环型社会为目标的生物资源利用技术”，该技术结合了材料开发、高功能性、制造、可降解性评价和废水处理等一系列研究。在可降解性评价和废水处理的研究中，我们将提高难分解有机废水处理效率和降低成本作为一个社会问题。我们关注作为生物废水处理的主要参与者的微生物，旨在发现有助于推进废水处理技术的微生物功能。迄今为止，通过利用微生物的功能，我们成功地有效处理了PET瓶原材料制造过程中的持久性废水（AIST新闻稿，2022年5月13日，https://wwwaistgojp/aist_j/press_release/pr2022/pr20220513/pr20220513html）。
这项研究的最终目标是准确评估 PET 泄漏到厌氧环境中时的环境动态，重点关注代表性塑料之一的 PET。我们模拟厌氧环境，对参与PET单体BHET和PET原料DMT分解的微生物进行了富集培养。另外，1核磁共振氢谱的降解性评估通过鸟枪法宏基因组分析进行代谢功能评估，我们揭示了 BHET 和 DMT 生物降解发生在厌氧环境中，并鉴定了关键微生物。
这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金 (B)（一般）（JP18H01576、JP21H01471）的部分支持。
在这项研究中，我们首先从实验室规模的反应器中提取了一种称为污泥的复杂微生物样本，该反应器可有效处理 PET 瓶原材料制造废水（AIST 新闻稿，2022 年 5 月 13 日），将其添加到模拟厌氧环境的培养瓶中，并通过添加 BHET 或 DMT 作为底物进行富集培养。1H 当使用NMR评价BHET和DMT的分解产物时，确认BHET生成对苯二甲酸单羟乙酯（以下称为“MHET”）和对苯二甲酸（以下称为“TA”），DMT生成对苯二甲酸单甲酯（以下称为“MMT”）和TA（图1）。这表明，即使在厌氧环境中，BHET和DMT也会被微生物降解。此外，当我们使用显微镜观察添加到培养物中的 BHET 和 DMT 晶体周围的区域时，我们发现了专门粘附在晶体上的螺旋形微生物。这些微生物被认为参与了分解。
图1厌氧培养中获得的BHET和DMT的降解产物及培养物的显微镜观察结果
根据原始论文“表2”的数值数据创建
为了阐明 BHET 和 DMT 的降解机制，我们对培养物中包含的复杂微生物群落进行了鸟枪法宏基因组分析。结果，我们证实了一种可以降解 BHET 和 DMT 的新酶的存在（图 2）。我们估计这些酶可以将BHET和DMT分别降解为MHET和MMT，并进一步将它们降解为TA。所有这些酶都编码在属于螺旋体门的微生物的基因组中。
此外，推测属于厚壁菌门的系统发育新微生物具有将BHET分解过程中产生的乙二醇降解为乙酸的代谢途径，此外，推测属于厚壁菌门的系统发育新微生物具有将BHET分解过程中产生的乙二醇降解为乙酸的代谢途径酸。产甲烷古菌DMT 分解过程中产生的甲醇会产生甲烷（图 2）。
图2 本研究估计的厌氧条件下BHET和DMT的降解途径和降解微生物
在这项研究中，我们阐明了 BHET 和 DMT 的生物降解性（其在厌氧环境中的分解行为尚不清楚），并估计了导致其分解的微生物功能。这项研究的结果将促进利用厌氧生物去除废塑料的技术的发展以及被塑料污染的自然环境的净化。
预计未来将开发新的 PET 制造技术，不仅使用石油原料，还使用废塑料和生物衍生原料，并且集约化工厂（例如在同一工厂生产 PTA 和 DMT 的工厂）将普及。从环境保护的角度来看，评估这些过程中可能产生的化学物质的生物降解性并阐明其分解机制是一项重要的工作。在这项研究中，我们通过模拟各种环境来评估化学物质的生物降解性，并估计参与其分解的微生物和酶。预计未来随着生物经济社会的形成，对工业用途的需求将进一步增加。此外，新提出的BHET和DMT降解途径以及催化它们的微生物酶是了解厌氧微生物降解合成化学品能力的重要发现。
将来，我们将通过评估 BHET 和 DMT 以及聚合物 PET 本身和其他塑料在厌氧环境中的降解性，来阐明在自然界中扩散的各种塑料的动态。此外，为了评估使用本研究中新提出的BHET和DMT降解酶的可能性，我们将通过进行基因表达和酶表达来更详细地阐明分解机制。此外，基于这些微生物信息，我们将设计一种新的处理工艺，创建一种能够有效分解各种废塑料的环境友好型废物处理工艺，为创建生物经济社会做出贡献。
已出版的杂志：化学工程杂志
论文标题：通过富集培养和微生物组分析揭示对苯二甲酸双（2-羟乙基）酯和对苯二甲酸二甲酯在厌氧条件下的生物降解途径
作者：Kyohei Kuroda*、Takashi Narihiro*、Yuki Nakaya、Taro QP野口、前田亮太、KNobu Masaru、大西由纪、熊木泰弘、相泽智康、佐藤尚
*两位作者都是本研究的共同通讯作者