土壤源降解菌的分离鉴定及其对可生物降解地膜降解的促进作用研究

《Biodegradation》：Isolation and identification of soil bacteria capable of degrading biodegradable mulch films

本刊推荐：为解决传统聚乙烯地膜造成的"白色污染"问题，研究人员开展土壤细菌降解可生物降解地膜(BMFs)的研究。通过富集培养法成功分离出Pseudomonas guariconensis和Achromobacter denitrificans两种降解菌，生物强化实验表明接种P. guariconensis可使Bio360和EcoVio两种商用BMFs的碳矿化率分别提升至48%和36%。该研究为加速农业土壤中塑料残留的降解提供了有效的生物修复策略。

　　

在现代农业中，地膜覆盖技术通过控制土壤温度、保持水分和抑制杂草生长，显著提高了作物产量。然而，传统聚乙烯(PE)地膜在使用后难以回收，残留的塑料碎片在土壤中不断积累，形成严重的"白色污染"。中国新疆等地的农田中，聚乙烯地膜残留量甚至超过每公顷240公斤，严重影响着土壤健康和作物生长。

可生物降解地膜(BMFs)被视为解决这一问题的理想替代方案。这类地膜通常由聚乳酸(PLA)、聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚己内酯(PCL)等可生物降解聚酯或热塑性淀粉(TPS)等多糖材料制成。虽然它们被设计为可在土壤中自然降解，但实际降解速度往往缓慢且不稳定。特别是在寒冷气候条件下，BMFs的降解效率更是大打折扣。华盛顿州的研究显示，36个月内BMFs的表面积损失仅为26%-63%，远低于田纳西州的61%-83%。这种降解效率的差异凸显了寻找加速BMFs降解新方法的紧迫性。

发表在《Biodegradation》上的这项研究创新性地采用富集培养策略，从土壤中分离出能够有效降解BMFs的特定细菌菌株，并通过生物强化技术显著提升了BMFs在土壤中的降解效率。

研究人员主要运用了富集培养技术、16S rRNA(核糖体RNA)基因测序、细菌生长曲线分析和碳矿化测定等关键技术方法。其中土壤样本来源于商业化的Scotts Boyung manure blend堆肥土壤。

富集培养与菌株鉴定

研究采用Bushnell Hass矿物质培养基(BHM)添加微量元素(TE)的选择性培养基，以BMFs粉末作为唯一碳源，通过三轮连续富集培养，成功从土壤中分离出具有BMFs降解能力的细菌菌株。通过16S rRNA基因测序鉴定，这些菌株分别为Pseudomonas guariconensis和Achromobacter denitrificans。从两种商用BMFs（Organix A.G.的EcoVio和Dubois Agrinovation的Bio360）中均分离到了这两种菌株。

细菌生长特性分析

研究人员系统评估了分离菌株在不同BMFs及其组分上的生长能力。实验发现，当以0.5%(w/v)的BMFs粉末作为唯一碳源时，混合菌株(A. denitrificans + P. guariconensis)在Bio360(B360)和EcoVio(EV)上均表现出明显的生长优势，而在低密度聚乙烯(LDPE)上则无显著生长。

进一步分析单个菌株的生长特性表明，P. guariconensis在B360和EV上分别实现了1.2-log和0.8-log的菌落形成单位(CFU)增长，而A. denitrificans也表现出类似的生长趋势。对BMFs各组分的生长实验显示，两种菌株均优先利用PBAT和TPS，而对PLA和PCL的利用能力较弱。

生物降解效率评估

通过碳矿化实验，研究人员量化了接种P. guariconensis对BMFs降解的促进作用。在168天的培养期内，接种菌株的增强土壤(ES)中B360和EV的碳矿化率分别达到48±1.1%和36±3.5%，显著高于未接种基线土壤(BS)中的17±0.8%和6.2±2.0%。

微观宇宙实验进一步验证了这些结果，显示在接种菌株的土壤中，BMFs出现了更明显的碎片化和重量损失。细菌数量监测表明，接种土壤在实验初期具有更高的微生物活性，但随着易降解碳源的消耗，两种土壤中的微生物数量逐渐趋于一致。

研究结论与意义

这项研究证实了通过定向富集培养从土壤中分离BMFs降解细菌的可行性。Pseudomonas guariconensis和Achromobacter denitrificans两种菌株表现出对BMFs组分的选择性降解能力，特别是对PBAT和TPS具有明显的偏好性。生物强化实验证明，接种P. guariconensis可显著加速BMFs的碳矿化过程，使B360和EV的降解效率分别提高约2.8倍和5.8倍。

研究的创新点在于开发了一套完整的从土壤中分离、鉴定和验证BMFs降解菌株的方法体系，为农业土壤中塑料污染的生物修复提供了新的技术路径。不过，研究人员也指出，当前研究仅使用单一类型土壤，未来需要在不同类型农业土壤中验证这些菌株的有效性，并探索构建具有协同降解能力的人工微生物群落(SynComs)，以应对复杂田间环境中的降解挑战。

这项研究为解决农业土壤中塑料污染问题提供了新的生物技术方案，通过挖掘土壤微生物的资源潜力，为可持续发展农业提供了重要的科学依据。随着可生物降解地膜市场的不断扩大（预计2022-2027年每年增长8.4%），这种基于微生物的降解加速技术具有广阔的应用前景。