大规模生产的石油基塑料以及不完善的回收系统导致这些塑料在环境中持续积累，对生态安全和公共健康构成了严重威胁[1]。其中，由于聚苯乙烯（PS）的年产量巨大且回收率极低，它已成为环境中最为普遍的惰性污染物之一[2]、[3]。据估计，每年生产的PS超过2000万吨，占全球塑料产量的6%以上[4]。由于其低密度和脆性，在海洋和土壤微塑料污染中PS的检出率高达30%-40%[5]。PS具有潜在的神经毒性和致癌性，对生态系统和人类健康构成长期威胁[6]。
近年来，从各种环境中分离出了多种具有PS降解能力的微生物菌株，如Alcanivorax xenomutans、Halomonas titanicae和可食用真菌Auricularia auricula。这些菌株的降解周期长达数月，但其重量损失率仅为3.8%-7.5%[7]、[8]。PS的降解主要通过降解微生物分泌的关键酶（如氧化酶和水解酶）实现，这些酶通过氧化作用攻击PS的芳香环或烷基侧链，生成芳香中间产物。这些中间产物随后通过邻位或间位裂解途径进入中心代谢[9]、[10]、[11]。然而，尽管这些途径在理论上是可行的，现有菌株在实际应用中仍面临降解周期长和效率低的挑战，无法满足污染修复的需求。这表明，仅依赖微生物自然代谢来降解合成聚合物存在固有的局限性。
PS生物降解过程缓慢是由于多个瓶颈造成的。第一个主要障碍是物理界面屏障：PS的强疏水性与微生物细胞分泌的亲水酶之间存在根本冲突，严重阻碍了酶与底物的有效接触和识别[12]。第二个挑战在于化学结构稳定性：打破PS分子中的稳定C-H和C-C键需要较高的活化能，而天然微生物酶系统通常不足以催化这类合成聚合物的反应[13]、[14]。此外，代谢途径的局限性加剧了降解难度：即使发生了初始氧化，后续步骤（如芳香环的开环和脂肪酸β-氧化）也常常因能量供应不足或缺乏关键酶而受阻，导致中间产物的积累和反馈抑制[15]。这些瓶颈共同导致了传统依赖微生物自然适应性的生物修复策略的失败。
为了克服这些障碍，近年来通过电化学界面调节微生物代谢的BES（Bioelectrochemical Systems）受到了广泛关注[16]。其核心增强机制与PS降解的三个主要瓶颈高度契合：首先，电极作为高效的电子受体或供体，可以从热力学上驱动氧化还原反应，为能量不足的降解过程提供能量；其次，电极表面原位生成的活性氧（如羟基自由基•OH）可以非生物地预氧化污染物[17]、[18]，有效打破PS中的稳定C-H和C-C键；第三，稳定的电场环境可以定向富集微生物并调节其生理功能[19]，可能促进微生物在疏水表面的定殖和酶的分泌[20]、[21]。BES已经在处理难降解有机污染物（如石油烃[22]和卤代芳香烃[23]）方面显示出显著优势。
然而，尽管BES在PS降解方面具有巨大潜力，相关研究几乎处于空白状态。这种理解上的空白源于两个根本障碍：首先，电场在增强PS降解中的确切作用机制尚不清楚——无论是通过非生物电化学氧化、特定调节微生物代谢，还是两者的结合，目前尚未确定；其次，缺乏合适的菌株——长期以来一直缺乏同时具备PS降解能力和电活性的纯菌株。这种功能特性的分离使得构建可靠的系统以进行深入的机制研究变得极其困难，严重阻碍了BES-PS界面相互作用的分子水平探索。
总之，本研究成功分离并验证了一种能够在BES中高效降解PS的菌株CP313，为后续的机制研究提供了可靠的生物学模型。在此基础上，通过化学分析和多组学整合策略，系统揭示了电场驱动的协同增强机制，并阐明了BES驱动的固态PS降解的化学-生物学耦合原理。这项研究不仅为电场增强塑料降解提供了理论基础，还为基于电-生物耦合的新修复技术的发展奠定了基础，为未来的技术突破提供了关键菌株资源和机制目标。
