活性卫生填埋场基底衬层微生物组的季节动态：多样性、功能潜力与屏障完整性调控机制

本研究针对卫生填埋场压实粘土衬层(CCL)长期降解导致环境污染的风险，通过16S rRNA测序和PICRUSt2功能预测，解析了雨季和旱季衬层与渗滤液微生物群落的结构季节性差异及功能适应性。研究发现Pseudomonadota、Bacillota等核心菌门主导 redox循环与矿物转化，并提出通过监测功能基因和开发抗生物降解粘土材料提升屏障持久性。

　　

随着城市化进程加速，市政固体废物(MSW)的产生量持续攀升，卫生填埋作为一种经济有效的废物管理策略被广泛采用。填埋场通过工程衬层和渗滤液收集系统设计，力图实现废物的环境隔离与稳定化。然而，长期运行中，压实粘土衬层(Compacted Clay Liners, CCLs)的降解可能导致有害渗滤液泄漏，污染周边土壤与地下水，威胁生态安全。尽管衬层的低渗透性是阻隔污染物迁移的关键，微生物活动却可能通过矿物溶解、孔隙度改变和生物膜形成等方式损害其结构完整性。因此，解析填埋场衬层与渗滤液微生物群落的组成、动态及功能，对于开发持久有效的废物 containment 策略具有重要意义。

近期发表于《Biodegradation》的一项研究，以马来西亚槟城Pulau Burung卫生填埋场(PBSL)为对象，系统探究了雨季与旱季条件下渗滤液和基底衬层微生物群落的多样性、结构及功能潜力。该研究采用高通量16S rRNA基因测序(V3–V4区)、PICRUSt2功能预测分析，结合环境参数测定，揭示了季节波动和基质特性对微生物群落的影响，并识别出可能参与衬层降解的关键微生物类群与代谢途径。

研究人员在雨季（2023年9–11月）和旱季（2024年1–3月）分别采集了渗滤液与衬层样本（深度0–30 cm），进行理化性质（pH、温度、氧化还原电位、盐度、硫酸盐、铵盐等）分析和高通量测序。通过DADA2流程处理序列，生成扩增子序列变异体(ASV)，使用SILVA数据库进行物种注释，并利用PICRUSt2预测功能基因及代谢通路。统计分析包括α多样性（Chao1、Shannon、Simpson指数）、β多样性（PCoA、NMDS）、LEfSe差异物种分析以及PERMANOVA检验群落差异显著性。

研究发现，渗滤液和衬层的理化性质存在显著季节性差异（p<0.05），旱季电导率、盐度和硫酸盐浓度升高，pH降低。衬层微生物群落展现出比渗滤液更高的组成稳定性和较低的β多样性变化。α多样性在旱季普遍升高，但衬层物种丰富度变化不显著（p>0.05）。微生物群落变化主要受环境参数季节性波动驱动。

微生物群落特征与季节差异

核心菌门包括Pseudomonadota（31.15–45.88%）、Bacillota（8.58–31.15%）、Actinobacteriota（6.22–19.58%）、Acidobacteriota（0.16–15.85%）、Chloroflexota（0.85–13.84%）和Bacteroidota（1.38–12.74%）。衬层在雨季富集Actinobacteriota、Chloroflexota和Bacteroidota，而渗滤液则以Clostridia、Gammaproteobacteria和Bacilli为主。旱季衬群落中Acidobacteriae、Ktedonobacteria和Verrucomicrobiae增加，渗滤液中Syntrophomonadia、Desulfuromonadia等硫循环相关类群突出。

功能预测揭示代谢潜力

PICRUSt2预测到2402种酶功能（EC编号），氧化还原酶最为丰富。衬层中富集Aerobactin合酶（EC 6.3.2.39）和琥珀酰-CoA转移酶（EC 2.8.3.13），参与铁获取和CoA转移；渗滤液中则高表达亚硝酸还原酶（EC 1.7.2.4）和羟基脱氯阿特拉津水解酶（EC 3.5.99.3），与氮循环和有机物降解相关。乙醛酸还原酶（EC 1.1.1.26）和DNA连接酶（EC 6.5.1.1）等在两种基质中均丰富，提示核心碳代谢与DNA修复机制的保守性。

关键微生物与生物地球化学过程

研究鉴定出多个与氧化还原循环和矿物转化相关的厌氧菌属，如Geobacter、Desulfuromonas（铁还原）、Desulfotomaculum（硫酸盐/铁还原）、Clostridium（发酵与铁还原）、Desulfitobacterium（还原性脱卤）和Dethiobacter（硫还原）。这些微生物通过产生硫化氢、有机酸和还原性物质，促进粘土矿物（如蒙脱石向伊利石转化）溶解，降低衬层膨胀能力和结构 cohesion，可能增加孔隙度并削弱屏障性能。

研究

研究结论强调，填埋场衬层微生物群落具备高度的功能冗余性和环境适应性，其季节性动态与理化参数变化紧密耦合。尽管衬层群落结构相对稳定，但微生物驱动的生物地球化学过程（如硫循环、铁还原和有机物发酵）可能逐渐损害衬层完整性。因此，常规监测微生物功能基因（尤其是氧化还原和矿物转化相关基因）、开发抗生物降解的粘土混合材料或原位生物屏障，是提升填埋场长期封存效力的关键策略。

该研究首次系统揭示了活性卫生填埋场衬层微生物的季节动态与功能潜力，为理解微生物在工程屏障耐久性中的作用提供了深入见解，也为优化废物管理实践和减少环境风险提供了科学依据。