基于沉积物微生物提取海水的海底条件快速生物降解测试方法开发与多地点验证

为解决海洋塑料污染评估中传统方法耗时长、结果变异大的问题，研究人员开发了一种利用超声波提取沉积物微生物至海水并添加无机营养盐（ES+NP系统）的新型生物降解测试方法。该研究在日、法、泰14个地点验证显示，纤维素和聚己内酯（PCL）的60%生物降解时间（t60）均缩短至50天内，聚丁二酸-共-己二酸丁二醇酯（PBSA）也表现出快速降解，为海洋可降解塑料的标准化评估提供了高效可靠的新方案。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，海洋环境中塑料废弃物的累积已成为生态系统的重大威胁。尤其是一些易进入海洋的塑料制品（如渔具和合成纤维），因其难以回收，亟需被海洋可降解塑料替代。然而，这些塑料进入海洋后往往因生物附着增重而沉入海底，因此评估其在海底环境中的生物降解性至关重要。现有国际标准方法（如ISO 19679和ISO 18830）虽能模拟海底条件，但存在测试周期长（可达两年）、结果变异大等问题，严重限制了可降解塑料的研发和应用进程。

为突破这一瓶颈，来自日本九州大学汽车科学系的Hironori Taguchi、Nao Osaka、Takako Kikuchi和Keiji Tanaka研究团队在《Science of The Total Environment》上发表论文，开发了一种基于“提取海水（Extracted Seawater, ES）”的新型快速生物降解测试方法。该方法通过超声波将沉积物中的微生物提取至海水中，并添加无机营养盐（氮磷源，NP）以增强微生物活性，从而在实验室条件下高效模拟海底环境，实现快速、稳定、可重复的降解性能评估。

研究团队从日本、法国和泰国的14个沿海地点采集海水和沉积物样本，通过超声波处理制备ES inoculum，结合定量PCR、微生物群落测序（NGS）和改性Gompertz模型动力学分析，系统比较了ES+NP系统与传统海水/沉积物（RS/SD）系统的性能差异。

3.1 接种体微生物浓度的量化

通过qPCR分析显示，沉积物（SD）中的微生物丰度是原始海水（RS）的100倍以上，而ES的微生物浓度达到RS的17倍，且活性细胞数显著增加（图S4）。这表明超声波处理有效提取了沉积物中的微生物，为降解测试提供了高活性接种体。

3.2 微生物群落组成与多样性分析

NGS分析表明，ES中不仅保留了海洋水体微生物（如Pseudomonas），还成功引入了沉积物来源的类群（如Shewanella），其群落多样性与SD高度相似（Shannon指数9.2 vs. 9.8）。这些微生物中包含多种已知降解塑料的菌属（如降解PCL的Shewanella sp. CT01），确保了接种体的环境相关性和功能多样性。

3.3 生物降解测试

3.3.1 生物降解速率评估

在ES+NP系统中，纤维素和PCL在90天内分别达到94.8%和82.3%的生物降解率，显著高于RS/SD系统。改性Gompertz模型拟合显示，ES+NP系统的降解速率常数（k）更高（纤维素：0.137 day^?1；PCL：0.115 day^?1），且滞后时间（λ）缩短甚至为负值，表明降解启动更快。对于降解较慢的PBSA，ES+NP系统也实现了85.5%的降解率，远高于RS/SD系统的48.3%。

3.3.2 ES与RS/SD系统的养分利用效率比较

无营养添加时，ES系统的降解效率较低，但添加NP后其降解速率提升幅度远高于RS/SD系统。这是因为RS/SD系统中丰富的背景有机质（TOC高达36.9 mg/容器）会竞争消耗养分，而ES系统背景有机碳仅0.9 mg/容器，使养分更集中用于塑料降解，显著提高了信号噪比和测试灵敏度。

3.3.3 高有机质接种体的影响

以东京湾（TKY）高有机质样本为例，ES+NP系统仍保持稳定降解性能（纤维素k=0.107 day^?1；PCL k=0.102 day^?1），而RS/SD系统因背景CO₂排放过高导致表观降解率中期下降，再次证明ES系统在复杂环境中的优越性。

3.4 测试方法的验证

在14个地点应用中，纤维素和PCL的t₆₀（达到60%降解的时间）均在50天内（除PCL在IYO需80天），符合OSPAR预设筛查标准。PBSA在三个测试点也均实现50天内t₆₀，证明该方法对难降解材料同样有效。多地点数据的高度一致性（R²≥0.94）表明ES+NP系统有效克服了接种体来源差异导致的“生物降解彩票”问题。

该研究开发的ES+NP测试系统通过优化接种体制备和营养策略，实现了海底环境生物降解性的快速、稳定评估。其核心优势在于：①微生物丰度和多样性接近真实海底环境；②低背景有机质提升养分利用效率和测试灵敏度；③多地点验证证明其广泛适用性。该方法不仅为海洋可降解塑料的研发提供了可靠工具，也为国际标准方法的改进提供了重要实践依据，对推动塑料循环经济和海洋环境保护具有重要意义。