- 我们在世界上首次发现，在日本附近的深海海底（757 m 至 5,552 m）五个具有不同水深和环境的地点，各种可生物降解塑料（不包括聚乳酸）可以被微生物分解。
- 我们在深海中发现了许多新的降解微生物，可以分解可生物降解的塑料，并且还发现它们存在于世界各地的各种海底沉积物中。
- 已被证明可以分解的生物降解塑料被认为可以在世界各地的任何海洋区域分解，有望为解决全球塑料海洋污染问题做出贡献。
载人研究潜水器“Shinkai 6500”（左）在深海海底安装可生物降解塑料（右）
东京大学、日本海洋地球科学技术机构、群马大学、国立技术评价研究所、国立先进产业技术研究所、日本生物塑料协会等各种可生物降解塑料（注1）（聚乳酸（不包括注2））分别位于神奈川县三崎海岸（深度757 m）、静冈县初岛海岸（深度855 m）以及伊豆小笠原岛弧海底火山附近的明神山（深度1,292 m）。 m）、黑潮延伸部的深海平原（水深 5,503 m）以及日本最东端南鸟岛海岸（水深 5,552 m）深海（注3）全球首次证明可以被微生物分解。
无数的微生物密集地附着在生物降解塑料的表面，随着时间的推移，样品表面形成粗糙的凹凸不平，表明生物降解的进展（图1）。尽管深海中的生物降解速度随着水的加深而减慢，但也证实了所有深海海底区域都发生了生物降解。据计算，本研究中使用的由可生物降解塑料制成的塑料袋将在深度约1000米的深海海底三周至两个月内生物降解。
这次进行细菌菌群分析 (16S rRNA 基因扩增子测序（注4））和宏基因组分析（注5），我们还成功发现了许多新的降解微生物，可以降解来自深海的可生物降解塑料。此外，发现的分解微生物来自世界各地的多种物种。海洋沉积物（注6）已证明存在于可生物降解塑料中的可生物降解塑料被认为可以在世界上任何深海中分解。
这项研究的结果预计将推动生物降解塑料的研究和开发，作为一种优秀的材料，有助于减少未来的海洋塑料污染。
此研究成果发表在国际科学期刊《自然通讯''将以网络版发布（日本时间2024年1月26日）。
图1：通过降解深海中的微生物来实现可生物降解塑料的生物降解
载人研究潜水器“新海6500”放入深海海底3个月后，可生物降解塑料样品含有
海洋雪（注7）沉积。很明显，由于附着在样品表面上的无数微生物的作用，随着样品表面上形成坑，生物降解不断进行。
<研究背景>
目前，据报道，全球每年生产约 4 亿吨塑料，每年约有 800 万吨塑料垃圾被排放到海洋中。科学 347，768（2015））。典型的例子是我们通常使用的聚乙烯和聚丙烯通用塑料(注8)是一种在山、河、湖、海洋环境中都不会分解的塑料，目前人们希望开发出在任何环境下都可以通过微生物的作用完全分解为二氧化碳和水的“可生物降解塑料”。
到目前为止聚乳酸微生物生产的聚酯(注9)堆肥(注10))和土壤、河流、湖泊、浅水区等的环境生物降解性进行了评估。然而，到目前为止，还没有人证明生物降解塑料是否能够真正在海洋塑料碎片最终所在的深海环境中生物降解，或者深海中是否存在能够分解生物降解塑料的微生物。
<研究内容>
在这项研究中，载人潜水器研究船“新海 6500” （注11）和自由落体深海探测器“Edokko 1 号''（注12），将生物降解塑料和通用塑料放置在深海中3至14个月，分析样品重量和形状的变化，以及附着在表面的微生物（图2（a））。可生物降解塑料包括可生物降解聚酯，例如微生物产生的聚酯（PHA）和聚乳酸，以及醋酸纤维素多糖酯衍生物（注释 13）已被考虑。同时，在面向东京湾、漂浮着大量塑料碎片的日本海洋地球科学技术机构的码头（神奈川县横须贺市，水深约5米）安装了类似的样品，并比较了生物降解率。
放置在深海中的样品在3至14个月后被打捞出来，分析薄膜和注塑产品的重量和厚度的变化，以及附着在表面的分解微生物。结果，我们发现，虽然通用塑料和聚乳酸根本不分解，但除聚乳酸外的其他可生物降解聚酯和多糖酯衍生物在深海海底会分解。
深海和岸上的生物降解率 (μg/cm2/天），在1000m深度处为码头分解速率的1/5至1/10，在5000m深度处约为1/20（图2（b））。生物降解速率的下降被认为是由环境变化引起的，例如水深增加导致的水压和温度，以及微生物丰度和多样性的减少。如果塑料购物袋（一般厚度= 15 µm）由微生物产生的聚酯制成，这是本实验中使用的可生物降解塑料之一，并且使用初岛（水深855 m）的分解速率计算深海中的分解时间，预计它会在大约3周至2个月内分解（图2（c））。
图2 由可生物降解塑料制成的塑料袋在深海中的生物降解率和预计的深海分解期
当我们用扫描电子显微镜观察放置在深海中的塑料表面时，我们发现，虽然通用塑料和聚乳酸样品的表面几乎没有附着微生物，但我们观察到许多微生物密集地附着在可生物降解塑料的表面（图1）。附微生物菌群分析（注14）的结果是，我们发现好氧微生物在安装后的几个月内附着在深海中，并且随着时间的推移，细菌菌群转变为厌氧微生物（图3）。这是由于随着时间的推移，海洋雪在样本表面积累。有氧条件到无氧条件的更改造成的（注15）。当我们分析样品正下方的海底沉积物中生活的微生物菌群时，我们发现它与厌氧条件下样品表面的菌群几乎相同。
对附着在样品表面的微生物进行细菌菌群分析和宏基因组分析，以降解可生物降解塑料微生物产生的聚酯（PHA）降解酶（注16），聚酯酶（注17），角质酶（注18）。发现的微生物存在于世界各地的海底沉积物中，此次展示的可生物降解塑料不仅在日本附近海域，而且在世界各地的海洋中都可以生物降解。
图3生物降解塑料和海底沉积物表面微生物菌群分析以及沉积物中新发现的降解微生物的全球分布
在初岛近海的深海海底放置了四个月后，发现薄膜表面仅存在需氧微生物（蓝色和绿色），但14个月后，厌氧微生物（粉色）占据主导地位。此外，14个月后薄膜表面的微生物菌群与海底沉积物中的菌群几乎相同。研究还发现，新发现的聚酯（PHA）降解细菌存在于世界各地的海底沉积物中，这表明PHA在世界各地的海洋中都可以被生物降解。
<未来展望>
这项研究证明，即使是在深海海底，可生物降解的塑料也可以被微生物分解，而海洋塑料碎片被认为最终存在于深海海底。应尽可能收集和回收塑料制品。然而，收集所有塑料是不可能的，其中大部分最终都会进入环境中。因此，对于不可避免地进入海洋的产品来说，适当使用生物降解塑料至关重要，而生物降解塑料可以说是一种有助于减少未来海洋塑料污染的优秀材料。未来，预计将开发出高性能的海洋可生物降解塑料，其能够在使用过程中持续表现出优异的物理性能，并且在使用后释放到海洋中时能够开始降解并尽快开始降解。
杂志名称：
自然通讯s（在线版本于 2024 年 1 月 26 日发布）
标题：深海海底可生物降解塑料的微生物分解
作者姓名：T Omura、N Isobe、T Miura、S Ishii、M Mori、Y Ishitani、S Kimura、K Hidaka、K Komiyama、M Suzuki、K Kasuya、H Nomaki、R Nakajima、M Tsuchiya、S Kawagucci、H Mori、A Nakayama、 M Kunioka、K Kamino 和 T Iwata*（*通讯作者)
DOI：101038/s41467-023-44368-8
网址：
https://wwwnaturecom/articles/s41467-023-44368-8 东京大学
农业与生命科学研究生院
生物材料科学系
岩田忠久教授
大村卓，当时的研究：博士课程
小宫山克也当时的研究：硕士课程
技术基础设施中心
木村聪技术专家
日本海洋地球科学技术机构
矶部纪之，副首席研究员
石井俊一 副首席研究员
石谷由之，特聘研究员
Hidetaka Nomaki，高级研究员
中岛亮太首席研究员
土屋诚史，副首席研究员
川口信介首席研究员
群马大学
理工研究生院分子科学系
Kenichi Kasuya，大学食品与健康科学教育研究中心教授兼主任
食品与健康科学教育研究中心
铃木美和助理教授
国家技术与产品评估研究所
三浦贵政 酋长
森美穗子 研究时：专家
日高航平队长
Kamino 经理
国立产业技术综合研究所
中山笃吉，首席研究员
日本生物塑料协会
森宏之顾问