《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Two
Bacillus strains as a composite microbial inoculant enhance degradation of polylactic acid plastics in composting
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PLA降解效率通过复合Bacillus接种剂显著提升，F-6/T-B组合使降解率超90%，较对照组提高57.9%，同时增强脲酶活性23.8%-93.4%，促进关键降解菌属（Luteimonas, Planktosalinus, Truepera）富集，降低分子量92.8%，优化堆肥温度峰值2.2℃。
王天丰|张玉倩|周慧萍|史向婷|张旭新|李振凯|彭成|王永刚|罗丹|张雪梅|张金宁|辛立清
兰州理工大学冶金与环境学院，中国兰州，730050
摘要
本研究评估了单一和复合芽孢杆菌接种剂（甲基营养芽孢杆菌F-6、Velezensis芽孢杆菌T-B以及F-6/T-B）在牛粪和小麦秸秆堆肥过程中促进聚乳酸（PLA）降解的效果。结果表明，接种剂使堆肥温度峰值提高了2.2°C，加速了有机物的降解，并显著增强了尿素酶活性（提高了23.8%-93.4%）和氮转化。F-6/T-B接种剂显著改变了细菌群落，增加了关键PLA降解菌属（Luteimonas、Planktosalinus和Truepera）的相对丰度。这种变化伴随着PLA表面裂纹的形成、酯键断裂、热稳定性降低以及数均分子量的显著下降（最多降低了92.8%）。在接种组中，第8天的PLA降解率达到了91.3%-92.5%，远高于对照组（43.4%）。复合接种剂（F-6/T-B）表现出最强的降解促进效果。本工作证实，芽孢杆菌复合接种剂可以协同增强堆肥性能和PLA的生物降解，为PLA废物的管理提供了一种实用策略。
引言
塑料产品的广泛使用导致塑料废物持续流入全球废物管理系统[1]。由于管理不善，塑料的不当处理对环境安全构成了重大威胁[2]。作为对石油基聚合物的环保替代品，可生物降解塑料（BPs）因其优异的生物降解性和环境可持续性而受到关注[3],[4]。2024年，全球生物塑料生产能力达到了约2.5 × 10^6吨，其中BPs占总量的56.3%[5]。尽管具有生物降解性，但BPs在环境中的长期存在可能导致微塑料的形成，从而污染土壤和地下水[6]。在各种BPs中，聚乳酸（PLA）因其可再生来源、高透明度和优异的生物降解性而受到最多关注，被广泛应用于农业和包装材料[2],[7]。2024年，全球PLA产量达到了9.2×10^5吨，占全球生物塑料生产能力的37.1%，在所有BPs中排名第一。这一数字远超其他替代品，如聚丁酸乙二醇酯（PBAT）的4.6%和聚羟基烷酸酯（PHA）的4.1%[5]。目前，PLA通常通过与有机废物一起进行好氧堆肥和厌氧消化等方法进行处理[3]。
堆肥是一种环境可持续的技术，用于处理和利用有机废物，在有机污染物的生物降解中起着关键作用[8]。在50°C-70°C或高湿度条件下，PLA会发生相对快速的生物降解，并加速矿化为CO?和H?O[9]。PLA/PBAT混合物在堆肥环境中的降解率约为30天后为15%，120天后达到约80%[1]。值得注意的是，PLA薄膜的粘度平均分子量（Mv）在堆肥35天后下降了58.0%-69.5%[10]。在嗜热堆肥条件下（65°C），PLA在45天后的降解率为59.2%[11]。然而，PLA的不完全降解可能导致微塑料残留物的积累，从而影响堆肥质量并对环境安全构成潜在风险[1],[3]。
PLA在堆肥系统中的降解速率较低，通常归因于本土微生物群落的丰度不足或代谢活性有限，这限制了整体的生物降解能力[12]。在这种情况下，添加外源微生物接种剂成为增强难降解有机化合物降解的有效方法[10],[13]。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）因其能分泌纤维素酶、淀粉酶和植酸酶等水解酶而被特别用于绿色废物堆肥，这些酶可以加速木质纤维素材料和有机物质（OM）的降解[14]。在堆肥过程中单独接种嗜热芽孢杆菌菌株（甲基营养芽孢杆菌F-6和Velezensis芽孢杆菌T-B）可将木质纤维素降解率提高18.1%-42.1%[15],[16]。然而，单一微生物接种剂由于无法分泌分解复杂有机物质所需的所有酶谱，其降解促进效果有限[17]。
复合微生物接种剂可以通过提高堆肥温度和增加酶活性来协同增强堆肥性能[18]。在鸡粪-玉米秸秆堆肥系统中，使用含有枯草芽孢杆菌和木霉菌属的多菌株接种剂优化了堆肥过程并提高了最终产品的安全性[19]。同样，从番茄秸秆废物堆肥中分离出的复合微生物接种剂也表现出增强的木质纤维素酶活性和改善的堆肥效率[20]。
从结构上看，PLA是通过乳酸聚合合成的，而乳酸来源于可再生植物来源（如玉米和木薯）中的淀粉或纤维素的微生物发酵。因此，木质纤维素和PLA都含有植物来源的糖或其衍生物作为基本结构成分[21]。这两种物质的结构有相似之处。一些芽孢杆菌菌株已被证实能够促进PLA的降解[22]。接种枯草芽孢杆菌菌株（F-6或T-B）可以显著增强木质纤维素的降解，复合微生物接种剂可能具有更有效的作用机制[15]。因此，复合接种剂（F-6/T-B）是否能够增强PLA的降解是一个值得探讨的问题。
本研究的目的是通过接种单一芽孢杆菌菌株（F-6或T-B）及其复合微生物接种剂（F-6/T-B），来探讨复合微生物接种剂是否比单一细菌剂在PLA降解过程中发挥更好的作用。本研究的结果可以为使用复合微生物接种剂增强实际堆肥环境中PLA的降解速率提供新的参考。
材料
牛粪来自当地的一个畜牧场，小麦秸秆则从一家秸秆加工厂获得，并剪切成2-4厘米的长度。表A.1中列出了原材料的基本性质。本研究中使用的细菌菌株为两种芽孢杆菌：F-6和T-B，细菌计数保持在10^8 CFU/mL。首先将细菌在LB固体琼脂平板上复苏，并在37°C下恒温培养24小时。
堆肥参数
温度是调节好氧堆肥过程中微生物活性的关键因素。堆肥过程通常根据温度动态分为四个阶段：中温阶段、嗜热阶段、冷却阶段和成熟阶段[27]。所有反应器在第3天进入嗜热阶段（>50°C），并在第5天达到峰值温度。F（63.3°C）、T（62.1°C）和FT（63.7°C）组的峰值温度分别比对照组（61.5°C）高1.8°C、0.6°C和2.2°C。
结论
单一和复合微生物接种剂均增强了PLA的降解。其中，F-6接种剂在促进有机物降解方面表现出更明显的效果，而塑料测试指标的结果显示，F-6/T-B接种剂对PLA降解的促进作用最为显著。F-6/T-B接种剂通过增加关键PLA降解菌（Luteimonas、Planktosalinus和Truepera）的相对丰度改变了细菌群落结构。
资助
本研究得到了中国国家自然科学基金的支持[项目编号：52360019, 52400191]。
CRediT作者贡献声明
彭成：资源提供、调查。张旭新：资源提供、调查。李振凯：资源提供、调查。周慧萍：资源提供、调查。史向婷：资源提供、调查。辛立清：资源提供、调查、资金获取。王天丰：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法学、资金获取、正式分析。张玉倩：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、资源提供。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
