提升微生物修复潜力：黄孢木霉（Phanerochaete chrysosporium）在降解聚苯乙烯微塑料过程中富里酸的多重作用

《Journal of Hazardous Materials》：Enhancing the Mycoremediation Potential: The Multifaceted Role of Fulvic Acid in Polystyrene Microplastics Degradation by Phanerochaete chrysosporium

富里酸通过物理化学表面蚀刻、调控白腐真菌关键代谢基因表达及促进酯化反应协同提升聚苯乙烯微塑料降解效率，揭示生物与非生物耦合机制。

　　

侯泽琳|吴永康|刘洋|董宁佳|毛宇|梁红|高大文

北京建筑大学城市环境修复中心，北京建筑大学节能减排与可持续城乡发展协同创新中心，中国北京100044

摘要

微塑料（MPs）的环境行为受到有机物物理化学效应和生物降解过程的影响，但这些因素之间的复杂相互作用仍不甚明了。本研究采用Phanerochaete chrysosporium作为模型菌株，通过21天的降解实验研究了富里酸在聚苯乙烯微塑料（PSMPs）降解中的关键作用。结果表明，添加富里酸后，PSMPs的降解率从单独真菌降解的13.76 ± 1.44%显著提高至富里酸增强真菌降解后的25.49 ± 3.72%（p < 0.01），同时促进了羧酸和酯类化合物的形成。进一步验证揭示了富里酸的多种作用机制：（1）富里酸通过非生物化学过程侵蚀PSMPs表面，提高其生物可利用性（贡献了3.25%的降解率）；（2）Phanerochaete chrysosporium中与核糖体组装、能量代谢和应激反应相关的基因显著上调，增强了降解能力（贡献了21.90%的降解率）；（3）富里酸与降解中间体之间的酯化反应加速了PSMPs从氧化物向羧酸和酰基衍生物的转化（贡献了0.34%的降解率）。具体而言，氧化中间体的形成主要与编码脱氢酶、谷胱甘肽转移酶和脂肪酶的基因相关，而酯类产物的形成则主要与编码脱氢酶、双加氧酶、木质纤维素酶和脂肪酶的基因相关。这项工作阐明了一种新的非生物-生物耦合机制，显著推动了微塑料的生物转化，为自然条件下的微塑料环境命运提供了重要见解。

引言

2020年全球产生了4.25亿吨塑料废物，预计到2050年将增加62%至6.87亿吨[1]。全球每年消耗的石油基塑料约为2.99亿吨，其中聚苯乙烯（PS）占塑料总消耗量的约7.1%（每年2100万吨）[2]。这类石油基塑料在环境中具有高持久性，其半衰期根据特定表面积估计在58至200年之间，导致其在土壤中持续积累[3]。进入土壤环境的塑料进一步降解为微塑料（MPs），不仅直接改变了有机碳的生物可利用性、电子转移动力学和水气交换过程，还成为病原微生物的载体，对人类健康和生物地球化学循环产生重大影响[4]、[5]、[6]、[7]。

塑料废物的处理技术日益多样化，微生物修复作为一种可行且高效的环境策略因其高成本效益、环境兼容性以及能够将有机污染物完全矿化为CO?和H?O而受到重视[8]。Phanerochaete chrysosporium（P. chrysporium）分泌锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶和漆酶，能够高效降解各种有机污染物[9]。研究表明，暴露于MPs胁迫会提高P. chrysosporium中的活性氧（ROS）水平，触发超氧化物歧化酶的表达，通过将超氧化物和•OH转化为过氧化氢和氧气来减轻氧化损伤[10]。这些发现为P. chrysosporium在塑料污染修复中的应用提供了重要的理论基础。然而，P. chrysosporium在自然环境中的降解性能及其限制因素仍需进一步研究。

土壤腐殖质，尤其是其高活性的富里酸成分（具有水溶性、官能团含量和电子转移效率的优势），已被证明是调节微塑料环境行为和命运的关键非生物因素[10]、[11]、[12]。研究表明，富里酸（0–200 mg/L）通过提高邻苯二甲酸酯的溶解度和溶液-塑料亲和力，显著促进了聚氯乙烯微塑料中邻苯二甲酸酯的浸出[13]。这一过程增加了溶解有机碳的含量，并使塑料圈的化学特征更加复杂。此外，富里酸转化半醌自由基的能力使其能够在水溶液中促进电子转移并生成ROS，从而驱动聚苯乙烯微塑料（PSMPs）的老化过程，在此过程中微塑料表面发生氧化并产生羰基官能团[14]。相反，湖水中的富里酸不仅显著降低了聚丙烯微塑料在光照条件下生成•OH和O?^•?的能力，还通过富里酸中的色素光屏蔽效应与微塑料竞争光子，有效降低了聚丙烯微塑料的光降解速率、熔点、接触角和表面Zeta电位[17]。这些化学过程调节了微塑料在源头处的生物可利用性。具体而言，富里酸也可能直接参与P. chrysosporium对PSMPs的降解。例如，最近的研究表明，富里酸的存在诱导了电活性细菌和有机降解酶的增多、细胞外聚合物物质的产生以及细胞色素c和NADH合成的增加，同时也影响了土壤中参与细胞外电子转移的< />C基因的表达[12]。堆肥过程中腐殖酸和富里酸的增加显著影响了真菌群落的组成和多样性，在嗜热阶段和成熟阶段促进了木质腐生菌的功能和碳水化合物活性酶基因的表达[15]。这些发现表明，富里酸改变了微塑料降解过程中P. chrysosporium的营养循环和代谢活性。总体而言，富里酸可能是连接非生物和生物过程的关键纽带，在自然环境中修复微塑料污染中起着关键限制作用。然而，具体的协同机制仍需深入探索。

本研究从多个角度定量评估了富里酸对P. chrysosporium降解PSMPs的协同增强作用，包括降解效率、表面形态和分子量变化。同时，通过转录组分析和产物表征阐明了富里酸调节P. chrysosporium中关键功能基因表达和代谢途径重组的分子响应机制。本研究旨在阐明富里酸在PSMPs生物降解中的多维调节作用，为推进自然环境中针对微塑料污染的生物修复策略提供理论基础和发展方向。

材料与菌株

实验中使用的PSMPs粉末粒径约为200目，购自ANPEL Laboratory Technologies (Shanghai) Inc。本研究中使用的P. chrysosporium（BVH-F-1767）菌丝体来自实验室保存的菌种库，在活化前保存于-80°C。液体低碳马铃薯葡萄糖培养基根据现有协议进行了少量修改[16]。简而言之，培养基含有5 g葡萄糖和3 g钾二氢...

富里酸增强P. chrysosporium对PSMPs的生物降解

这项为期21天的培养实验表明，P. chrysosporium对PSMPs的降解受到富里酸的调节。结果表明，随着富里酸浓度的增加（从5 mg/L增加到40 mg/L），PSMPs的化学降解率有所提高（最高达4.15%），但仍显著低于P. chrysosporium存在下的综合生物化学降解率（F+P组为13.76 ± 1.44%，F+P+FA组为25.49 ± 3.72%）（p < 0.05）。

结论

本研究显示，富里酸的添加显著增强了P. chrysosporium对PSMPs的降解作用。富里酸非生物地改变了PSMPs的表面化学性质，提高了其生物可利用性。这种改变与P. chrysosporium协同作用，通过上调能量供应、蛋白质合成和耐受性等关键代谢过程，显著加快了降解效率。这些发现强调了...

环境意义

作为一种广泛分布的天然有机化合物，富里酸通过改变PSMPs的表面化学性质并刺激微生物代谢活性，增强了Phanerochaete chrysosporium对PSMPs的生物降解。这一发现表明，在微塑料污染的生物修复过程中，用含富里酸的基质预处理土壤可能促进更彻底和环保的微塑料降解。

CRediT作者贡献声明

高大文：资金获取。梁红：正式分析。毛宇：实验研究。董宁佳：方法学。刘洋：软件处理。吴永康：软件、方法学、实验研究。侯泽琳：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件处理、方法学、实验研究、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2020YFC1808800）和教育部污染过程与环境标准重点实验室（2025a07）的支持。

支持信息

支持信息可免费获取于https://***

包括转录组数据分析和质量控制结果的详细工作流程、材料和方法在内的额外实验细节