Microbial valorisation of PET-derived terephthalic acid by Rhizopus arrhizus: towards plastic waste biotransformation
少根根霉对PET衍生对苯二甲酸的微生物资源化利用：面向塑料废弃物的生物转化
来源：Bioresource Technology 442 (2026) 133681
1. 论文摘要
对苯二甲酸（TPA）是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的两大单体结构单元之一，是一种广泛存在于工业废水中的难降解芳香族化合物。解析真菌中 TPA 的生物降解途径，是开发高效生物修复策略的核心前提。本研究首次报道了少根根霉（Rhizopus arrhizus）具备代谢 TPA 并将其作为碳源利用的能力。研究采用反向同位素标记策略结合气相色谱 - 质谱联用技术（GC-MS），追踪了 TPA 在真菌中心碳代谢中的去向。结果表明，少根根霉 PR1 可在 24-48h 内实现对 TPA 的完全、快速消耗；TPA 来源的碳原子可高效整合进入三羧酸（TCA）循环，并进一步分布到氨基酸、脂质生物合成等多种合成代谢途径中。此外，TPA 暴露可诱导菌株的代谢模式从发酵型向呼吸 - 发酵型转变，这一特征可通过 TCA 循环活性增强、线粒体丙酮酸转运系统上调得到印证。值得关注的是，TPA 代谢过程中菌株同步生成了乳酸、富马酸等具有重要工业价值的有机酸，凸显了该真菌在塑料废弃物资源化利用、循环生物经济发展中的创新生物技术应用潜力。
2. 论文关键词
对苯二甲酸、生物转化、真菌生物技术、废弃物管理、同位素标记
3. 研究目的
① 首次探究少根根霉利用 PET 解聚单体对苯二甲酸（TPA）作为碳源的代谢能力，填补丝状真菌中 TPA 分解代谢途径的研究空白，拓展塑料单体生物转化的微生物资源库。
② 结合反向同位素标记、非靶向代谢组学与转录组学技术，追踪 TPA 来源的碳原子在真菌中心碳代谢中的完整去向，系统阐明 TPA 在少根根霉中的分解代谢与同化机制。③ 解析 TPA 暴露对少根根霉全局基因表达、生理代谢的影响，明确其从发酵代谢向呼吸 - 发酵代谢状态转变的分子调控机制。
④ 评估少根根霉将化石基 TPA 生物转化为高附加值生物基产品的潜力，为 PET 塑料废弃物的生物资源化利用、循环生物经济发展提供新型真菌平台与理论支撑。
4. 研究思路
① 菌株分离、鉴定与全基因组解析：从含 TPA 的琼脂平板中分离目标真菌菌株，通过 ITS 测序完成初步分类鉴定；结合 PacBio SMRT 与 Illumina 技术完成全基因组测序、组装与功能注释，基于保守单拷贝直系同源基因构建系统发育基因组学树，明确菌株为少根根霉 PR1。
② 菌株生长特性与 TPA 消耗动力学分析：设计不同碳源、不同 pH 的培养基体系，利用芬兰 Bioscreen C 系统测定菌株全周期生长曲线，通过 GC-MS 定量分析不同时间、不同 pH 条件下 TPA 与葡萄糖的消耗情况，明确菌株对 TPA 的消耗效率、最适生长与代谢 pH 范围。③ 反向同位素标记追踪 TPA 碳代谢去向：采用 ¹³C₆- 葡萄糖 +¹²C₈-TPA 的反向标记策略培养菌株，在对数生长期采集胞内与胞外样品，通过 GC-MS 完成代谢物检测，结合 DExSI 软件分析代谢物的同位素分布向量（MDV），明确 TPA 来源碳原子在中心碳代谢、氨基酸与脂质合成中的整合路径。④ 多组学联合解析代谢调控机制：对 TPA 处理组与仅葡萄糖的对照组进行转录组测序，筛选差异表达基因；结合胞内、胞外非靶向代谢组学数据，解析 TPA 摄取、芳香环降解、中心碳代谢重编程、氧化应激响应等关键通路的调控机制，绘制 TPA 代谢的潜在通路图。⑤ TPA 生物转化高值化潜力评估：定量分析 TPA 代谢过程中分泌的乳酸、富马酸等工业有机酸的产量、产率与分泌动力学，鉴定 TPA 代谢过程中产生的新型酯化产物，评估该菌株在 PET 塑料废弃物高值化转化中的应用潜力。
⑥ 结果整合与结论总结：整合基因组、同位素示踪、转录组、代谢组多维度数据，阐明少根根霉 TPA 分解代谢与同化的完整机制，总结该真菌平台在塑料废弃物资源化中的应用价值，得出最终研究结论。
5. 研究亮点
① 首次发现并证实少根根霉具备高效代谢 TPA 的能力，可在 24-48h 内完全消耗 TPA，是首个被报道可同化 TPA 的根霉属真菌，填补了丝状真菌 TPA 分解代谢的研究空白，打破了真菌仅能部分降解芳香族化合物的传统认知。
② 创新采用反向同位素标记策略，首次清晰追踪了 PET 衍生 TPA 的碳原子在真菌中心碳代谢中的完整去向，证实 TPA 来源的碳可高效富集到 TCA 循环全通路，并进一步整合进入氨基酸、脂质的从头合成途径，为真菌 TPA 同化机制提供了直接的同位素示踪证据。③ 系统揭示了 TPA 代谢引发的真菌全局代谢重编程：发现 TPA 暴露可诱导少根根霉从传统发酵代谢向呼吸 - 发酵代谢状态转变，伴随 TCA 循环活性增强、线粒体丙酮酸转运系统上调、磷酸戊糖途径激活，阐明了芳香族底物胁迫下丝状真菌的代谢适应机制。④ 实现了化石基 PET 单体向高附加值产品的高效生物转化，证实少根根霉可将 TPA 定向转化为乳酸、富马酸等重要工业平台化学品，总有机酸产率达 0.45 g/g 总碳源，为 PET 塑料废弃物的 “变废为宝” 提供了新型真菌生物技术路线。
⑤ 整合多组学技术筛选到参与 TPA 转运的 MFS 超家族转运蛋白、芳香环羟基化的细胞色素 P450 单加氧酶等关键候选基因，为后续代谢工程改造提升菌株转化效率奠定了坚实的分子基础。
6. 可延伸的研究方向
① TPA 完整代谢途径与关键酶的功能验证：通过基因敲除、异源表达、酶活测定等实验，验证候选基因在 TPA 摄取、芳香环羟基化与开环降解中的功能，明确少根根霉中 TPA 分解代谢的完整酶学途径与分子机制。
② 菌株代谢工程改造与发酵工艺优化：基于代谢机制解析，对少根根霉进行定向代谢工程改造，强化 TPA 降解通路与有机酸合成途径，阻断副产物代谢；同时优化培养基组成、温度、pH、溶氧等发酵工艺参数，提升 TPA 向高附加值有机酸的转化效率与产物得率。③ PET 全链条生物转化工艺的整合开发：将少根根霉 PR1 与 PET 水解酶、化学解聚工艺联用，构建 “PET 解聚 - TPA 生物转化” 一体化工艺，实现从 PET 塑料废弃物直接到高附加值化学品的全链条生物转化，验证其工业化应用可行性。④ 混合塑料废弃物的广谱转化能力研究：探究少根根霉对工业级粗 TPA 水解液、其他塑料解聚单体的共代谢能力，评估该菌株在混合塑料废弃物资源化、PET 生产废水生物修复中的广谱适用性。⑤ TPA 衍生新型产物的功能与应用开发：对本研究发现的 TPA - 乳酸酯化产物 4-((1 - 羧基乙氧基) 羰基) 苯甲酸进行分离纯化与结构鉴定，验证其在可生物降解共聚酯合成中的应用潜力，拓展 TPA 生物转化的高附加值产物谱系。⑥ 合成微生物菌群的构建与协同转化：将少根根霉与 PET 解聚细菌、高效有机酸生产菌株构建合成微生物菌群，实现 PET 解聚、TPA 降解、高值化产物合成的分工协同，提升塑料废弃物生物转化的效率与环境抗逆性。
⑦ 菌株适应性进化与耐受性提升：通过实验室适应性进化，提升少根根霉对高浓度 TPA、水解液中杂质的耐受性，开发可用于复杂工业场景的工程菌株，拓展其在环境治理与工业生物制造中的应用场景。
7. 测量数据、对应图表及研究意义
① 菌株系统发育基因组学分析数据
数据内容：完成少根根霉 PR1 全基因组测序、组装与功能注释，基于 200 个保守单拷贝直系同源基因构建根霉属物种的最大似然系统发育树，明确 PR1 菌株的分类学地位与亲缘关系。
数据来源：Fig 1. maximum-likelihood phylogenomic tree of Rhizopus species and Mucor circinelloides (outgroup) constructed from 200 conserved single-copy orthologs.、Fig S1
研究意义：从基因组与系统发育层面证实了分离菌株为少根根霉，完成了高质量基因组草图的组装与功能注释，为后续 TPA 代谢机制解析提供了完整的基因组背景，同时为根霉属物种的比较基因组学与代谢多样性研究提供了新的资源。
② 菌株生长特性与 TPA 消耗动力学数据
数据内容：测定了少根根霉 PR1 在葡萄糖 + TPA 培养基中 7 天的生长曲线（细胞干重 CDW）、TPA 与葡萄糖的消耗动力学；对比了 TPA 存在与否的菌株生长曲线；测定了初始 pH 4-9 范围内菌株的 TPA 消耗效率。
数据来源：Fig 2. A) R. arrhizus PR1 growth curve cultivated in MOPS + glucose (6 g/L) + TPA (1 g/L) for 7 days; B) Growth curve comparison for R. arrhizus cultivated for 144 h in MOPS + glucose + TPA and MOPS + glucose; C) Percentage of TPA consumption as a function of initial medium pH (4 to 9) after 5 days of culture.、Fig S2、Fig S3
研究意义：首次直接证实少根根霉 PR1 可高效消耗 TPA，明确了 24h 内消耗超 70%、48h 内完全消耗的代谢效率；证实 TPA 可作为次级碳源提升菌株生长速率，为后续组学实验的采样时间点选择提供了核心依据；明确了菌株 TPA 代谢的最适 pH 为弱酸性至中性，为后续发酵工艺优化提供了关键环境参数。
③ TPA 代谢通路与全局代谢影响的整合分析数据
数据内容：结合转录组差异表达基因、同位素标记结果，绘制了 TPA 在少根根霉中的潜在降解通路，以及对真菌全局代谢的影响示意图，标注了关键功能基因的表达倍数变化。
数据来源：Fig 3. General overview of the effect of TPA on the fungal metabolism and the hypothetical breakdown pathway of TPA by Rhizopus arrhizus PR1.、Fig S4、Fig S5、Fig S6、Fig S7、Fig S8
研究意义：首次提出了少根根霉中 TPA 的潜在分解代谢途径，锁定了 MFS 转运蛋白、细胞色素 P450 单加氧酶等核心候选功能基因，为后续机制解析指明了方向；直观整合了转录组与代谢组数据，清晰揭示了 TPA 诱导的真菌全局代谢重编程核心特征。
④ TPA 来源碳原子的代谢整合分布数据
数据内容：通过反向 ¹³C 同位素标记实验，明确了 TPA 来源的 ¹²C 碳原子在少根根霉中心碳代谢、氨基酸合成、脂质合成中的整合情况，标注了不同代谢物的 ¹²C 标记掺入状态。
数据来源：Fig 4. Carbon-labelling profile of the annotated metabolites produced during the exponential growth phase by Rhizopus arrhizus cultured on a synthetic medium containing ¹³C₆-glucose and ¹²C₈-TPA.
研究意义：直接证实 TPA 来源的碳原子可高效整合进入真菌中心碳代谢，完整富集到 TCA 循环全通路，明确了 TPA 降解的最终产物为丙酮酸和 / 或乙酰辅酶 A，为真菌 TPA 代谢途径提供了直接的同位素示踪证据；发现 TPA 的碳可进入氨基酸、脂肪酸的从头合成途径，证实 TPA 不仅可作为能量来源，还能作为合成代谢碳源被真菌完全同化。
⑤ TPA 代谢对胞内与胞外代谢物水平的影响数据
数据内容：对比了 TPA 处理组与对照组的胞内、胞外代谢物水平变化，明确了 TPA 代谢过程中胞内代谢物的下调情况，以及胞外分泌代谢物的上调情况，重点量化了乳酸、富马酸的产量与产率。
数据来源：Fig 5. Changes in intracellular and extracellular metabolite levels during TPA consumption in R. arrhizus.、Fig S9、Fig S10
研究意义：系统解析了 TPA 代谢对真菌胞内代谢稳态的影响，证实 TCA 循环中间体周转加快；首次证实富马酸仅在 TPA 存在时被特异性分泌到胞外，乳酸的生成速率也被显著加快，为该菌株在塑料废弃物高值化转化中的应用提供了直接代谢证据；量化了总有机酸产率达 0.45 g/g 总碳源，为工业化应用的经济性评估提供了核心数据。
⑥ TPA 衍生新型酯化产物的鉴定数据
数据内容：通过 GC-MS 解析了 TPA 代谢过程中胞外特有新型代谢物的质谱碎片特征，结合稳定同位素标记证实其为 4-((1 - 羧基乙氧基) 羰基) 苯甲酸（TPA 与乳酸的酯化产物），同时筛选到催化该反应的候选脂肪酶基因。
数据来源：Fig 6. Portion of the mass spectrum and proposed electron impact fragmentation scheme of putative 4-((1-carboxyethoxy)carbonyl)benzoic acid detected in TPA samples after derivatization with methyl chloroformate.、Fig S11
研究意义：首次发现少根根霉在 TPA 代谢过程中可生成 TPA - 乳酸酯化产物，拓展了真菌 TPA 代谢的产物谱系；该产物可作为可生物降解共聚酯的合成单体，为 PET 塑料废弃物的高值化利用提供了全新的产物方向。
⑦ 转录组学差异表达基因数据
数据内容：通过 RNA-seq 测序，对比了 TPA 处理组与对照组的基因表达差异，筛选到 372 个显著上调基因、333 个显著下调基因，完成了 COG 功能分类与关键通路基因的表达分析。
数据来源：补充材料差异基因列表、Fig S4-S8
研究意义：从转录水平揭示了 TPA 暴露引发的真菌全局基因表达变化，为代谢从发酵向呼吸 - 发酵状态转变的结论提供了直接证据；筛选到大量参与 TPA 代谢、氧化应激响应的关键候选基因，为后续代谢工程改造与功能验证提供了核心资源。
8. 核心研究结论
① 本研究首次鉴定到一株可在葡萄糖共底物存在下完全代谢 TPA 的少根根霉 PR1 菌株，填补了根霉属真菌 TPA 代谢研究的空白，拓展了 PET 塑料单体生物转化的微生物资源。
② 借助反向同位素标记技术，证实 TPA 来源的碳原子可在菌株对数生长期高效整合进入中心碳代谢，包括 TCA 循环全通路、氨基酸与脂质合成代谢途径，明确了 TPA 在真菌中的完整同化路径。③ TPA 与葡萄糖的共消耗可提升少根根霉的生物量积累，同时显著加快乳酸的生成速率，诱导富马酸的特异性胞外分泌，两种有机酸的总产率可达 0.45 g/g 总碳源，证实该菌株可将化石基 TPA 高效生物转化为高附加值工业平台化学品。④ TPA 代谢会引发培养基显著酸化，源于有机酸的大量分泌；同时菌株会生成 TPA 与乳酸的酯化产物 4-((1 - 羧基乙氧基) 羰基) 苯甲酸，为可生物降解聚酯的合成提供了新型潜在单体。
⑤ 少根根霉可为 PET 解聚产物 TPA 的资源化利用提供可持续的真菌生物转化路线，将该工艺与 PET 解聚技术整合，可在减少塑料废弃物的同时生成高附加值工业副产品，为循环生物经济发展提供了重要的技术支撑与理论依据。
9. 芬兰 Bioscreen 仪器测量的微生物生长曲线数据的研究意义
本研究采用芬兰 Bioscreen C 全自动生长曲线分析仪（Oy Growth Curves Ab Ltd., Helsinki, Finland），使用 Honeycomb 微孔板接种少根根霉 PR1 孢子（72500 孢子 /mL），在 30℃、440rpm 持续轨道震荡条件下培养 144h，每 15 分钟自动测定一次 600nm 处的光密度值（OD600），获得了 TPA 处理组（葡萄糖 + TPA）与对照组（仅葡萄糖）的菌株全周期动态生长曲线。该数据是本研究的核心基础数据，其研究意义体现在以下 8 个层面：
① 明确了 TPA 对少根根霉生长的影响，证实了 TPA 的共代谢促生长效应
Bioscreen 仪器通过 144h 内高频次全自动检测，获得了高时间分辨率的菌株生长动态曲线，直观对比了 TPA 存在与否的生长差异。数据显示，TPA 处理组的菌株对数期生长速率显著高于对照组，直接证实 TPA 可作为次级碳源被少根根霉利用，产生了显著的共代谢促生长效应，为 “该菌株可代谢同化 TPA” 的核心研究结论提供了最直观的表型证据，是整个研究开展的前提性基础。
② 精准确定了菌株生长周期的关键节点，为多组学实验的采样时间提供了核心依据
微生物的代谢状态、基因表达水平随生长周期发生剧烈变化，采样时间的精准性直接决定了组学数据的可靠性。Bioscreen 的高分辨率生长曲线，精准明确了少根根霉 PR1 的延滞期（约 18h）、对数期（13-24h）、稳定期的关键时间节点。基于该数据，研究确定了对数期 20h（TPA 组）、22h（对照组）作为同位素标记与代谢组学样品的采集时间，18h 作为转录组学样品的采集时间，确保所有样品均采集于菌株一致的生理代谢状态，彻底排除了生长周期不同步对组学数据的干扰，保障了后续实验结果的因果性与准确性。
③ 排除了生长能力差异对有机酸产量的干扰，明确了产物合成的代谢特异性
本研究的核心结论之一是 TPA 代谢可加快乳酸生成、诱导富马酸特异性分泌。Bioscreen 的生长曲线数据证实，TPA 处理组与对照组的最终最大生物量相近，仅生长速率存在差异，而非最终生物量的区别。该结果直接排除了 “有机酸产量提升是由菌株生物量增加导致” 的可能性，证实乳酸生成加快、富马酸特异性分泌，是 TPA 代谢引发的菌株代谢重编程的特异性结果，而非生物量变化带来的非特异性效应，为 “TPA 可被定向转化为高附加值有机酸” 的核心结论提供了关键的对照证据。
④ 提供了高重复性、低系统误差的生长动力学数据，保障了实验结果的可靠性
丝状真菌的菌丝体不均匀分布，导致传统摇瓶培养 + 手动分光光度计法检测生长曲线存在极大的取样误差，且批次间培养环境差异大。而芬兰 Bioscreen C 系统具备恒温密闭培养、多通道同步持续震荡、全自动原位检测的特性，实现了 10 个生物学重复在完全一致的环境中同步生长与检测，大幅降低了人为操作、环境因素与菌丝体分布不均带来的系统误差。获得的生长曲线数据具有极高的重复性与精确度，为菌株生长特性的定量评估提供了可靠的数据支撑，也为后续发酵工艺放大提供了精准的生长动力学参数。
⑤ 实现了丝状真菌生长的长期动态监测，捕捉了 TPA 代谢与生长的时序关联
少根根霉的全生长周期长达 144h，传统手动检测难以实现全周期连续监测，无法捕捉生长速率的细微变化与 TPA 消耗的时序关联。Bioscreen 仪器支持数天的全自动连续监测，完整覆盖了菌株从孢子萌发、延滞期、对数期到稳定期的全过程。结合 TPA 消耗动力学数据，该生长曲线清晰揭示了 “葡萄糖先被部分消耗、随后 TPA 开始快速代谢” 的时序特征，明确了 TPA 的代谢始于菌株对数生长期，与快速生长阶段高度耦合，为解析 TPA 的共代谢机制提供了关键的时序证据。
⑥ 验证了微孔板体系的生长稳定性，为后续高通量筛选实验提供了方法学基础
Bioscreen 的微孔板培养体系，是后续开展菌株发酵条件优化、底物耐受性筛选、突变株表型验证的核心高通量平台。本研究通过 Bioscreen 获得的生长曲线，验证了少根根霉 PR1 在该体系中可稳定萌发、生长，且 TPA 的促生长效应可被稳定重复。该结果为后续开展不同 TPA 浓度、碳源组合、环境条件的高通量筛选实验，以及菌株适应性进化、代谢工程突变株的高通量表型验证，提供了标准化、可重复的培养与检测方法，大幅提升了后续菌株优化与工艺开发的实验效率。
⑦ 为生长动力学模型构建与反应器放大提供了核心参数
Bioscreen 仪器获得的高时间分辨率 OD600 数据，可精准拟合少根根霉在 TPA 存在下的最大比生长速率（0.36 h⁻¹）、延滞期时长、最大生物量等关键生长动力学参数。该参数不仅可与已报道的 TPA 降解微生物进行横向对比，评估该菌株的代谢优势，还为后续发酵过程的动力学模型构建、生物反应器的放大设计、连续发酵工艺的开发提供了核心数据支撑，是该技术从实验室研究走向工业化应用的关键基础。
⑧ 为丝状真菌芳香族化合物代谢的表型研究提供了标准化技术参考目前丝状真菌芳香族污染物降解、塑料单体代谢的研究中，生长表型检测仍以传统手动方法为主，缺乏标准化、高重复性的检测体系。本研究基于芬兰 Bioscreen C 系统，建立了适用于少根根霉的丝状真菌孢子接种、原位培养、全自动生长曲线测定的标准化方法，解决了丝状真菌菌丝体缠绕、取样误差大、动态监测难的技术痛点。该方法可推广至其他根霉属、丝状真菌的芳香族化合物代谢、污染物降解研究中，为同类研究提供了可复制、高可靠性的表型检测技术参考。