近日，任南琪院士团队丁杰教授、杨珊珊副教授课题组与美国斯坦福大学吴唯民博士合作，在Environmental Science ＆ Technology上发表了题为“Molecular-Weight-Dependent Degradation of Plastics: Deciphering Host-Microbiome Synergy Biodegradation of High-Purity Polypropylene Microplastics by Mealworms”的研究论文（DOI: 10.1021/acs.est.3c06954）。
聚丙烯（PP）是一种非水解聚烯烃塑料，其每个单元都含有侧链（-CH3），与线性正烷烃聚乙烯（PE）相比，更难于生物降解。迄今， 对生物降解聚丙烯的研究报告较少。尽管如此，我们此前的研究（doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144087）证实了黄粉虫（Tenebrio molitor）幼虫能够降解平均分子量（Mw）为365.2 kDa的商品聚丙烯泡沫塑料。但是，不同分子量的PP对塑料的生物降解过程的影响仍未明瞭。鉴于聚合物分子量对塑料生物降解影响极大，因此，这篇文章的研究中使用了从低到高不同分子量范围（0.83，6.2, 50.4, 108 到575 kDa）、覆盖了所有商业PP聚合物分子量范围的PP塑料微粒，进行了黄粉虫降解塑料能力对PP分子量的依赖性及机制研究。由于不同塑料的分子结构和元素组成的差异导致昆虫幼虫对不同塑料的生物降解表现出不同的机制，研究过程中还探讨了是否分子量对PP降解的影响与降解其他聚烯烃塑料（如聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE））的异同。作者通过监测PP的质量减少、分子量的变化和残留PP的δ13C的变化等确认了黄粉虫幼虫能够降解所有不同分子量的PP塑料，结合组学分析，阐释了PP摄食条件下微生物及昆虫宿主协同调控进行PP降解的基本机理框架。研究结果表明，黄粉虫的肠道类似于一个小型生物反应器，当摄入PP后，其体内对不同分子量的PP聚合物的降解微生物组随分子量变化，但是肠道微生物在降解塑料过程中行使的主要功能是相似的，表明黄粉虫的肠道微生物群落通过驯化形成有利于塑料降解的生态系统对聚合物进行降解。具体地，塑料进入消化道后，肠道微生物通过趋化作用相关途径（如双组分系统、群体感应、细菌趋化性和鞭毛组装），趋向利用新的营养物质，定植细菌群落、通过肠道微生物与宿主互相配合经分泌的氧化酶和水解酶解聚高分子聚合物、降解的中间产物通过ABC转运系统向微生物细胞内导入被进一步矿化。在此过程中，昆虫通过激活自身的消化酶、氧化酶、抗氧化防御功能酶以及与碳水化合物运输和代谢相关的功能酶，实现PP的协同降解。本研究的发现也解释了为什么从黄粉虫和其他能降解塑料的幼虫中分离出的肠道细菌菌株在体外降解PP、PS和PE等塑料的效率远低于在体内降解的效率的原因。
本研究工作首次证实了黄粉虫（Tenebrio molitor 幼虫）具有生物降解广泛的不同分子量（从0.83 kDa到575.00 kDa）聚丙烯聚合物的能力，表明大多数商业聚丙烯产品（分子量从120.00 ~550.00 kDa）都能被黄粉虫生物降解; 发现聚合物的分子量影响解聚模式和降解过程，且通过测定生物降解前后PP聚合物的Δδ13C值可以有效地评估聚烯烃的生物降解。这篇文章的结果为理解黄粉虫对聚烯烃的生物降解过程提供了新的视角，为利用食塑料昆虫的生理特性加强塑料降解提供了理论基础。此外，发现不同的主导细菌对不同分子量的聚烯烃进行生物降解，为选择针对降解不同类型聚烯烃废物的目标微生物和酶提供了信息。
杨珊珊副教授和美国斯坦福大学吴唯民博士为论文通讯作者，重点实验室为第一通讯单位。
