聚氨酯（PU）作为一类通过多异氰酸酯与多元醇反应形成的多样化塑料聚合物，属于六大传统塑料之一，在全球市场中占据重要地位，2020 年市场规模达706.7 亿美元，预计 2021 - 2028年复合年增长率为3.8%。其凭借高强度、高抗撕裂性和耐用性等卓越性能，广泛应用于交通、建筑、纺织、电子、航空和医疗等众多行业。然而，随着 PU 的大量使用，其废弃物处理成为棘手问题。这些废弃物在自然环境中降解缓慢且微弱，在土壤中可能通过多种物理、化学和生物机制形成微塑料，对土壤生物群、水质和野生动物产生长期有害影响。此外，PU的低密度导致其在填埋时占用大量土地资源，而不当焚烧会产生一氧化碳和氰化氢等有毒气体，危害人类健康和生态系统。
近几十年来，利用微生物或酶进行生物降解成为塑料废弃物管理的有前景的解决方案之一。虽然已有一些PU降解细菌被报道，但大多数菌株对商业PU材料的降解能力较弱，且 PU的高稳定性、不溶性和高分子量等特性也阻碍了其降解。目前通过筛选获得的微生物往往降解周期长，高效降解PU的细菌菌株报道稀少。
近日，华中农业大学生命科学学院李林教授团队在Environmental Pollution（IF：7.6）在线发表题为Biodegradation of commercial polyester polyurethane by a soil-borne bacterium Bacillus velezensis MB01B: Efficiency, degradation pathway, and in-situ remediation in landfill soil的研究论文，本研究从垃圾填埋场土壤中分离出Bacillus velezensis MB01B，旨在深入探究其对商业PU材料的降解能力、途径及原位修复潜力，通过细菌框架图测序结合实时荧光定量聚合酶链式反应（RT - qPCR）鉴定出几种参与PU降解的酶，包括氨基甲酸酯酶和酯酶/脂肪酶。基于这些结果，推测了MB01B降解Impranil DLN的途径。研究团队还成功制备了PU降解型MB01B固体微生物菌剂，该菌剂在垃圾填埋场土壤中对Impranil DLN薄膜、TPU薄膜和PU桌垫的原位降解效果显著，这为开发低成本处理垃圾填埋场中大量商业PU废弃物的方法提供了可能，具有重要的环保意义和潜在的应用价值。
菲沙基因参与文章中细菌框架图测序。
图1 文章发表信息
MB01B 的分离、鉴定与表征
以Impranil DLN为唯一碳源，从城市垃圾填埋场分离出三株PU降解细菌（L1、MB01B 和 MB02B），其中MB01B在LB-DLN培养基中表现出最高的降解效率，72小时降解率达94.1%±1.7%。在MSM - DLN平板上，MB01B菌落周围形成直径1.4cm的透明降解圈，而空白对照和阴性对照（接种Bacillus subtilis 168）无此现象。在MSM-DLN液体培养基中培养11天，MB01B的PU降解率为93.6%±2.6%，显著高于空白对照。通过形态观察、16S rRNA基因、gyrA基因和rpoB基因的多位点序列分析（MLSA），初步鉴定MB01B为 Bacillus velezensis。
图2 垃圾填埋场土壤中MB01B菌株的筛选与鉴定
MB01B 降解条件优化
时间进程浊度测定表明，在LB - DLN培养基中37°C下24小时降解率可达75%。单因素实验显示温度和pH对MB01B降解Impranil DLN有显著影响，最佳温度为35°C，初始pH为8.0。通过中心复合设计（CCD）实验，确定温度（X1）和pH（X2）为实验因素，Impranil DLN降解率（Y）为响应变量，建立二次多项式模型：
经方差分析（ANOVA）验证模型合理性（p < 0.01, F-test），失拟性检验p = 0.6745 > 0.05表明模型拟合良好，相关系数R2 =0.9997，岭分析确定最佳降解条件为30.5°C和初始pH 为6.5，在此条件下预测降解率为 92.3%，三次重复实验实际降解率为 91.4%±0.5%，与预测值无显著差异。
图3 MB01B在LB-DLN培养基中降解条件的优化
MB01B处理后PU材料的物理变化
在实验室摇瓶条件下，以Impranil DLN薄膜、聚酯TPU薄膜和商用PU桌垫三种不同复杂度的PU底物进行实验，在30.5°C和初始pH 6.5的LB培养基中培养4周后，与对照组相比，经MB01B处理的PU材料干重显著下降，Impranil DLN薄膜、TPU薄膜和PU桌垫重量损失分别为24.8%±2.8%、18.3%±3.7%和5.4%±0.3%，而对照组仅为2.2%±0.4%、2.6%±0.2%和1.4%±0.1%（p<0.05）。MB01B处理后的PU材料表面出现侵蚀迹象，如分层、孔洞和裂缝，且表面生物膜上有细胞外聚合物物质（EPS）。对Impranil DLN薄膜的原子力显微镜（AFM）分析显示，MB01B处理后表面高度变化和粗糙度显著增加，与空白对照形成鲜明对比。
图4 MB01B对商用聚酯聚氨酯材料的降解效率
PU材料降解中间产物分析
通过气相色谱-质谱（GC - MS）分析，鉴定出Impranil DLN的降解中间产物为新戊二醇和1,6 -己二醇，TPU的降解产物包括二甘醇、苯甲酸和芥酸酰胺，PU桌垫的降解产物有3 - 甲基丁酸、2 -甲基丁酸和辛基三嗪酮。这些产物的形成与PU材料的结构和降解机制相关，为进一步了解MB01B的降解途径提供了依据。
图5 GC - MS分析MB01B在30.5◦C和初始pH 6.5处理24 h的PU材料降解中间体
参与Impranil DLN降解的关键酶挖掘与降解途径预测
FTIR分析显示，MB01B处理后的Impranil DLN薄膜在1727cm-1（酯键和氨基甲酸酯键的C=O伸缩振动）处吸收峰显著降低，1530cm-1（尿素/氨基甲酸酯N-H弯曲振动）和1241cm-1（C-N伸缩振动）处略有下降，同时3336cm-1（O-H和N-H伸缩振动）处增加，表明MB01B能够有效降解PU的酯键和氨基甲酸酯键。酶活性定量测定表明，MB01B在LB - DLN培养基中培养24小时的上清液中酯酶活性为8.8±0.3U mL-1，氨基甲酸酯酶活性为138.9±8.9U mL-1，且Impranil DLN存在时酯酶活性显著高于不存在时，表明Impranil DLN可诱导MB01B产生酯酶。对MB01B基因组测序分析发现与PU降解相关的基因，如编码氨基甲酸酯酶的ABGS77_16035基因、编码氧化还原酶的ABGS77_16755基因和九个编码酯酶/脂肪酶的基因。RT-qPCR分析表明，在Impranil DLN存在时，两个编码氨基甲酸酯酶的基因（ABGS77_07210和ABGS77_16035）和六个编码酯酶/脂肪酶的基因表达上调。克隆并表达ABGS77_08720（编码酯酶Est01736）和ABGS77_17790（编码酯酶Est03519）基因，证实其编码的酶能够水解Impranil DLN。基于上述结果，推测MB01B降解Impranil DLN的途径包括细菌定殖、生物劣化、分解和代谢四个阶段，最终将Impranil DLN矿化为CO2和H2O。
图6 Impranil DLN降解途径的推测
Impranil DLN薄膜在垃圾填埋场土壤中的降解
通过一系列单因素实验优化MB01B的发酵条件，制备出细菌数为7.65×1010CFU g-1（干重）的固体细菌菌剂。在模拟原位降解实验中，将MB01B固体微生物菌剂应用于垃圾填埋场土壤中，3周后，与对照组相比，实验组的PU薄膜（Impranil DLN薄膜、TPU薄膜和PU桌垫）出现显著颜色变化和降解现象，尤其是Impranil DLN薄膜完全碎片化并紧密粘附于土壤，弹性显著降低。扫描电子显微镜（SEM）分析显示实验组PU薄膜表面出现孔洞、侵蚀和裂缝，而非灭菌垃圾填埋场土壤中的降解效果更为明显，这可能是由于MB01B与其他微生物之间的协同作用增强了PU材料的降解。
图 7模拟了MB01B固体微生物接种物在室温（约30◦C）下对垃圾填埋土中PU材料的原位降解能力
本研究成功鉴定出土壤细菌Bacillus velezensis MB01B具有出色的降解商业聚酯聚氨酯（PU）材料的能力，包括Impranil® DLN - SD、TPU和商用PU桌垫。在最佳条件（30.5°C 和初始 pH 6.5）下，MB01B在短短24小时内对0.75% Impranil DLN的降解率高达 91.4%，PU材料表面出现显著的重量损失和侵蚀现象。
通过FTIR和GC - MS分析证实，MB01B 能够水解PU降解所必需的酯键和氨基甲酸酯键，并且具有完全降解 Impranil DLN的能力，其降解途径也得以推断。研究团队还成功制备了 PU 降解型 MB01B 固体微生物菌剂，该菌剂在垃圾填埋场土壤中对Impranil DLN 薄膜、TPU 薄膜和 PU 桌垫的原位降解效果显著，这为开发低成本处理垃圾填埋场中大量商业 PU 废弃物的方法提供了可能，具有重要的环保意义和潜在的应用价值。
