在模拟城市固体废物填埋的产酸阶段，微塑料及其相关细菌的降解过程

《Environmental Research》：Degradation of microplastics and the plastisphere bacteria in the acidogenic phase of simulated municipal solid waste landfilling

微塑料在垃圾填埋场中的降解行为及菌群关联研究，通过模拟厌氧和半厌氧填埋反应器，考察聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚乳酸（PLA）不同粒径微塑料的衰老规律，发现PLA>PS>PE的衰老顺序。利用16S rRNA测序分析微塑料表面菌群，发现Acinetobacter、Chryseobacterium等为核心潜在降解菌，菌群组成受环境条件影响显著，且降解程度与细菌多样性及Clostridium、Exiguobacterium丰度相关。

　　

余阳龙|丁海宁|苏丽雅|沈东升|郑星|蔡慧

中国浙江省工商大学环境科学与工程学院，浙江省有色金属废弃物回收工程研究中心，固体废弃物处理与回收重点实验室，杭州，310012

摘要

垃圾填埋场是微塑料的主要来源和汇。城市固体废弃物填埋的初始阶段会产生大量渗滤液，其中含有大量的微塑料。然而，不同微塑料在废弃物和渗滤液中的降解行为，以及与之相关的塑料圈微生物群落和降解细菌仍知之甚少。本研究在模拟垃圾填埋反应器中，探讨了在不同填埋条件下（厌氧和半厌氧环境），不同粒径的PE、PS和PLA微塑料的老化过程。同时确定了塑料圈细菌群落的组成和关键降解细菌。结果表明，在不同填埋条件下，不同粒径和聚合物类型的微塑料老化程度存在差异，其中PLA微塑料的老化程度最高，其次是PS，最后是PE。与聚合物类型相比，塑料圈微生物群落的组成更多地受到所处环境的影响，群落的形成主要由随机过程驱动。不动杆菌、金黄杆菌、鞘杆菌、黄杆菌、假单胞菌和芽孢杆菌是模拟垃圾填埋反应器中主要的微塑料降解菌。此外，在不同填埋条件下，特定的微塑料降解细菌在不同塑料圈中富集。相关性分析表明，微塑料的降解程度与细菌多样性、严格意义上的梭菌和极小杆菌的丰度密切相关。这些发现有助于理解垃圾填埋场中微塑料的降解行为和降解细菌，为微塑料污染的预防和控制提供科学依据。

引言

合成塑料具有出色的稳定性和耐久性，被广泛应用于日常生产和生活中。随着人类对塑料材料需求的增加，全球塑料产量到2023年已达到4.138亿吨，预计到2050年将有120亿吨塑料成为废弃物。研究表明，目前全球21-42%的塑料废弃物被储存在垃圾填埋场中（Browne等人，2011年）。进入垃圾填埋场的塑料废弃物会因太阳辐射、温度变化、干湿循环以及微生物、有机物质和矿物质的附着而发生表面降解、破碎和分解（Battulga等人，2022年）。这些过程产生了微塑料（MPs，直径小于5毫米的聚合物），使垃圾填埋场成为微塑料的主要来源（Song等人，2017年）。因此，垃圾填埋场既是微塑料的主要来源，也是其汇。

城市固体废弃物（MSW）填埋后，会经历初始调整、过渡、酸化、甲烷发酵和成熟等阶段。在初始调整和酸化阶段，会产生大量渗滤液，占整个填埋生命周期产生的总渗滤液的60-80%（Kjeldsen等人，2002年）。多项研究记录了垃圾填埋场中微塑料的分布特征，发现垃圾填埋废弃物中的微塑料浓度高达55个/克或52.8克/千克（Sholokhova等人，2023年），而未经处理的渗滤液中的微塑料浓度范围为0.42至24.58个/升（He等人，2019年）。此外，垃圾填埋场中的微塑料可通过渗滤液泄漏进入周围土壤和地下水，进而进入自然环境（De-la-Torre等人，2023年；Ghorbaninejad等人，2023年）。大多数微塑料已经老化，其表面会吸附大量污染物，对生态环境构成严重威胁。

微塑料的老化通过多种机制发生，包括生物和非生物途径。生物途径包括微生物降解、酶的作用和微生物摄取；非生物因素包括光降解、物理磨损、温度效应和化学氧化。老化导致微塑料表面结构和官能团的变化（Duan等人，2021年），生成各种含氧官能团，如C=O、O-H和C-O键。此外，作为外源性和疏水性物质，环境中的微塑料为微生物提供了独特的生态位，形成了被称为“塑料圈”的生物膜（Zettler等人，2013年）。垃圾填埋场是多种污染物的储存库，包括有机污染物、重金属和微塑料。在这种复杂环境中，微塑料与其他污染物相互作用，形成复合污染，从而加剧了老化微塑料带来的环境风险（Battulga等人，2020年）。生物膜的存在可能进一步加剧微塑料造成的复合污染。Johansen等人（2019年）研究了聚乙烯微塑料对放射性Cs和Sr的吸附行为，发现生物膜增强了其吸附能力。尽管已有关于垃圾填埋场中塑料废弃物老化和降解的报道（Zhang等人，2021年），但对于不同类型和粒径的微塑料在MSW填埋过程中的降解特性研究仍然相对较少，尤其是在产生大量渗滤液的初始阶段。

塑料的生物降解受微生物种类、微塑料特性和环境因素的影响（Song等人，2024年）。多项研究已鉴定出能够降解塑料的功能性微生物种类。例如，微球菌、葡萄球菌、莫拉克斯菌和假单胞菌属与聚乙烯（PE）微塑料的降解有关（Zhai等人，2023年）。大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌和黑曲霉被认为是聚苯乙烯（PS）微塑料的有效降解菌（Asmita等人，2015年）。然而，目前关于塑料降解细菌的研究主要集中在水生和土壤生态系统中，对于垃圾填埋系统中的信息有限。在MSW填埋的初始阶段，特别是水解-酸化阶段，优势细菌为拟杆菌、乳酸菌和肠杆菌（Shen等人，2025年）。微塑料是否在此期间发生生物降解以及具体参与的微生物需要进一步研究。

因此，本研究选择了不同粒径的PE、PS和聚乳酸（PLA）微塑料，在模拟的MSW垃圾填埋反应器中进行培养。在水解和酸化阶段采集样本，以研究微塑料的老化和降解行为。通过光谱表征和16S rRNA高通量测序技术，研究了微塑料的老化行为及其相关的微生物组成、结构、组装机制和潜在的微塑料降解细菌。

材料制备

模拟垃圾填埋反应器中的MSW是人工制备的：食品废弃物来自浙江工商大学的食堂。其他废弃物，包括纸张、塑料、橡胶、纺织品、木材、土壤、玻璃和金属，来自校园内的居民区。将废弃物均匀混合后，采用四分法选取几个样本，将其粉碎至约2厘米大小，再均等分割以制备均匀的废弃物样本。

城市固体废弃物的理化指标及稳定阶段的确定

半厌氧和厌氧垃圾填埋反应器中废弃物和渗滤液的理化性质如图2所示。废弃物和渗滤液的初始pH值分别为5.39和4.13。在0-21天内，厌氧垃圾填埋反应器中废弃物的pH值总体下降，导电性缓慢增加，而ORP值下降；在半厌氧垃圾填埋反应器中，废弃物的pH值逐渐升高，而渗滤液的pH值下降；

结论

本研究探讨了在厌氧和半厌氧垃圾填埋条件下，城市固体废弃物及其渗滤液中各种微塑料及其相关塑料圈的降解行为，重点关注细菌群落组成和关键的微塑料降解细菌。不同粒径和聚合物类型的微塑料在不同填埋条件下的老化程度存在差异，其中PLA微塑料的老化程度最高，其次是PS，最后是PE。

CRediT作者贡献声明

蔡慧：写作——审稿与编辑，监督，资金获取。郑星：写作——审稿与编辑，正式分析。沈东升：数据管理，概念构思。苏丽雅：验证，方法学。丁海宁：写作——初稿撰写，可视化，方法学。余阳龙：写作——审稿与编辑，监督

未引用的参考文献

Battulga等人，2019；Dassouki Dit Tahan等人，2025；Ghorbaninejad Fard Shirazi等人，2023；Kim和Pohland，2003；Lin等人，2023a；Lin等人，2023b；Shen等人，2025a；Shen等人，2025b。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。