mile米乐官方网站 微生物群的多样性是沿海地区聚羟基丁酸 (PHB) 生物降解的关键

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）生物过程研究部成宏隆研究组组长、黑田恭平高级研究员、生物医学研究部日野正博首席研究员、中山笃义职业研究员、国立技术评价研究所（NIT）生物技术中心生物技术中心首席研究员三浦隆正研究员、企划管理部首席研究员卡野圭主任包括在内沿海地区海水中微生物组我们发现多样性对于聚羟基丁酸 (PHB)（一种可生物降解塑料）的生物降解非常重要。

近年来，人们对塑料造成的海洋污染感到担忧，而最终被微生物分解成二氧化碳和水的可生物降解塑料也引起了人们的关注。利用海洋微生物开发可生物降解塑料，可在海洋中高效分解生物降解性评价测试（BOD测试）然而，由于生活在海水中的微生物数量比土壤中少，因此需要一到两年的较长时间才能进行客观评估。为了促进高功能生物降解塑料的开发，阐明参与生物降解的微生物类型及其代谢功能的细节，并通过明确激活这些微生物的条件来缩短性能评估周期非常重要。

这次，我们从日本沿海 15 个地点收集海水，获取遗传信息，并在实验室水平评估参与 PHB 降解的微生物。结果表明，大量的降解细菌和降解酶，包括以前未知的降解细菌和降解酶，有助于PHB的分解，并且随着分解过程的进行，参与的微生物类型发生变化。这表明海水中微生物的多样性对于PHB的生物降解具有重要意义。此外，预计通过添加营养源以增强微生物多样性，可缩短生物降解塑料的BOD测试所需的时间。

该技术的详细信息将于 2025 年 1 月 13 日发布。危险材料杂志

许多石油基塑料产品非常耐用，并且往往难以自然分解，当它们泄漏到海洋中时，会造成海洋污染和对生态系统产生不利影响等各种问题。因此，通过微生物的作用分解成二氧化碳和水的生物降解塑料正在引起人们的关注。根据应用而具有高性能并在海洋中有效分解的可生物降解塑料的开发进展将减少环境污染，并减少石油衍生塑料的使用，这也将导致化石燃料的使用减少。

为了开发可高效分解的生物降解塑料，需要利用微生物进行BOD测试。 BOD测试采用标准测试方法，假设土壤、堆肥、淡水和海水等各种环境，但最重要的是检查塑料废物在城市生活和工业活动流入的沿海海水中是否得到有效分解。然而，由于海水中的微生物比土壤中的微生物少，因此评估生物降解性的标准测试方法需要长达一到两年的时间。这种长期的评估测试是高功能生物降解塑料开发的限速因素，因此需要开发能够在更短的时间内评估性能的技术。为此，有必要阐明沿海地区参与生物降解的微生物类型及其代谢功能的细节，并将提高这些微生物生物降解能力的技术纳入标准测试方法。

AIST 是内阁办公室的一部分生物经济战略在循环型社会中有望替代石油基塑料的生物降解塑料的研发中，我们已经证明各种生物降解塑料可以在深海海底分解（2024 年 1 月 26 日 AIST 新闻稿)，我们一直在推动研究，例如提高聚乳酸的伸长率和开发促进海水生物降解的新材料(2024 年 3 月 26 日 AIST 新闻稿10682_107582024 年 5 月 23 日 NITE 新闻公告）。这次，AIST和NITE在实验室环境测试中对负责生物降解的微生物菌群进行了详细分析，以建立可以在短时间内评估生物降解性的标准测试方法。

这项研究和开发得到了NEDO（新能源和产业技术发展组织）委托项目“海洋可生物降解塑料社会实施技术开发项目/建立与海洋生物降解性相关的评估方法（问题编号：P20008）”的支持。

在这项研究中，我们对负责生物降解的微生物菌群进行了详细分析，以缩短 BOD 测试的测试周期，BOD 测试是用于评估可生物降解塑料的生物降解性的标准测试。首先，我们从日本沿海15个地点采集了海水，添加了研究最多的微生物产生的可生物降解塑料PHB，并在实验室进行了BOD测试。结果表明，PHB的生物降解率随海水的不同而变化很大，从91%到944%不等。接下来，每种海水中含有的微生物量定量PCR方法和16S rRNA基因扩增子分析获取微生物类型和丰度比的数据并分析微生物菌群多样性指数已经计算出来了。结果证实，微生物数量越高，生物降解率越高。此外，除了这些定量指标外，还发现定性评价微生物菌群的多样性指数的值越高，生物降解率越高（图1）。这支持了稍后将讨论的多种进化上不同的微生物有助于PHB分解的遗传分析结果，并表明海水中所含微生物物种的多样性越高，越有利于PHB的生物降解。

接下来，为了识别复杂微生物组中能够降解 PHB 的微生物，我们利用 15 个微生物丰度和多样性指数值相对较高的地点的海水进行了 BOD 测试，并分析了微生物组组成和基因表达随时间的变化。然后鸟枪法宏基因组分析来自 BOD 测试培养物中主要的 102 种微生物基因组草案当我们从基因组草案中提取与目前分离培养的PHB降解菌所具有的PHB降解酶的氨基酸序列具有高度同源性的基因时，我们从38个基因组草案中发现了57个PHB降解酶基因。其中许多基因在分子系统发育上与先前已知的 PHB 降解细菌所拥有的 PHB 降解酶不同，这表明许多新的 PHB 降解细菌栖息在沿海地区（图 2a）。此外，微生物群的基因表达模式宏转录组分析进行调查结果表明，在 BOD 测试期间，PHB 降解酶的类型随着时间的推移而表达变化（图 2b）。

上述结果表明，海水中微生物群的多样性对于PHB的生物降解非常重要，并且沿海地区存在许多以前未知的PHB降解细菌。这一发现有助于阐明沿海微生物生态系统中可生物降解材料的分解机制。此外，通过添加营养物质来增强实验室微生物的多样性，有望建立一种可在短时间内实施的生物降解性评价方法。

未来计划

论文信息

微生物群

生活在不同环境中的多种微生物的集合。也称为“微生物组”。[返回来源]

生物降解性评价测试（BOD测试）

一种通过测量微生物分解有机物时所需的氧气量来评价有机物的生物降解速度的方法。由试验对象有机物完全分解时所需的生化需氧量（BOD）和理论需氧量（ThOD），通过下式计算得出。[返回来源]

生物经济战略

生物经济利用生物技术和生物质，有望解决环境、食品和健康等各种问题，使实现循环经济和可持续经济增长成为可能。在此背景下，为了发挥日本的优势，扩大生物经济市场，实现各种问题的解决和经济的可持续增长，制定了生物经济战略。 （内阁府网站）https://www8caogojp/cstp/bio/indexhtml)[返回来源]

定量PCR方法

一种通过使用对待定量微生物菌群特异的DNA引物组基于荧光强度测量扩增的基因片段的量来进行定量的方法。这次，我们将展示针对所有原核生物的定量PCR结果。[返回来源]

16S rRNA 基因扩增子分析

一种使用 16S rRNA 基因（编码细菌等原核生物核糖体小亚基中所含核糖体 RNA）作为指标来分析微生物组组成结构（特定环境中存在哪些类型的微生物以及以何种比例存在）的方法。主流是利用高速DNA测序仪等进行分析，每个样本获取数千至数十万个16S rRNA基因碱基序列信息并进行分析。[返回来源]

多样性指数

根据 16S rRNA 基因扩增子序列分析获得的物种数量，对构成样品的微生物菌群多样性进行索引的值。已经使用不同的计算公式提出了多个多样性指数。这次，我们将展示使用以下公式计算的辛普森值的结果。

S：样本中观察到的物种数量
圆周率：物种 i 占总样本的比例[返回来源]