生物聚合物塑料改良蚯蚓堆肥系统中Eudrilus eugeniae肠道及蚯蚓堆肥内的微生物动态

《Pedobiologia》：Microbial dynamics in gut of Eudrilus eugeniae and vermicompost in biopolymer plastic- amended vermicompost system

　　

- 与肠道样本相比，蚯蚓堆肥表现出更高的OTU丰富度和α多样性。
- 与肠道微生物群相比，基质化学特性对堆肥微生物群的影响更大。
- 堆肥中以变形菌门为主，而肠道中以厚壁菌门为主。
- 从早期到晚期，所有处理中的微生物碳代谢均有所下降。
- 在整个堆肥期间，PKW和PKWE中的生物体利用了最多的碳源。

引言

蚯蚓堆肥是一个过程，蚯蚓及其相关的多样微生物将各种生物有机废物分解为一种稳定且富含营养的终产品，即蚯蚓粪（Koushal et al., 2025, Vukovi? et al., 2021）。蚯蚓堆肥中的微生物群落与蚯蚓活动及肠道微生物群协同作用，产生富含营养的有机基质，从而提高土壤肥力并支持可持续农业（Budroni et al., 2020, Oyege and Bhaskar, 2023）。蚯蚓堆肥还提供了一种环境友好的废物管理方法，生物修复是其关键优势之一。先前的研究已证明其在蚯蚓堆肥系统中对重金属（Liu et al., 2020, Wang et al., 2017）、五氯苯酚污染（Lin et al., 2016）、多环芳烃（Mohammadi-Moghadam et al., 2022）和原始污水污泥（Domínguez et al., 2021）的生物修复有效性。这些已证实的生物修复能力表明，蚯蚓堆肥系统可能为新兴塑料废物的转化和降解提供合适的生物环境。生物塑料是由可再生生物资源衍生的高分子材料，可生物降解。可堆肥塑料是生物降解材料的一个子集，在指定的堆肥条件下可以快速分解。要获得可堆肥认证，整个产品必须完全生物降解并物理崩解，且不留任何有毒残留物。为验证这些环境声明，材料必须根据公认的可堆肥性标准进行合格评定。例如，EN 13432作为欧洲工业包装可堆肥性的基准规范，ISO 17088提供了国际框架，详述了可堆肥塑料的一般要求，而在马来西亚，针对零售购物袋等物品的地方市政指南通常要求符合SIRIM ECO 001:2018，这是生物降解和可堆肥塑料的国家产品认证标准。尽管生物塑料已作为传统塑料袋的可持续替代品出现，受到零废物政策的推动，增加了对创新废物管理解决方案的需求，但这类塑料也引发了关于适当终端管理的担忧。全球大规模生产和消费后不可持续的处置方式凸显了需要对生物塑料废物采用环境友好策略。一种有前景的可持续方法是将生物塑料暴露于蚯蚓堆肥系统中相关的微生物群落。最近的研究报道，蚯蚓堆肥相关微生物群落的酶活性会降解聚合物表面，将其分解为较低分子量的生物质和气体，从而加速分解。其他研究同样报道，这些细菌分泌胞外酶，将复杂大分子水解为更简单的代谢物，同时释放二氧化碳和甲烷等气体，从而促进分解过程。

堆肥基质中的微生物群落对降解过程做出贡献，它们与蚯蚓的相互作用增强了蚯蚓堆肥中的物理和生化降解过程。蚯蚓主要通过物理破碎有机材料参与分解，增加可供微生物定殖的表面积，并促进后续的微生物分解，尤其是Eudrilus eugeniae。该物种因其高有机废物消耗量和高效的生物质产量而被广泛用于蚯蚓堆肥，也适合热带和温暖气候条件，其生长、繁殖和有机质消耗在相对温暖的温度下得到支持，且处理多种有机废物的效率较高，这进一步支持了其在蚯蚓堆肥系统中的应用。蚯蚓肠道 harbors 一个多样且特化的微生物群落，通常以变形菌门、厚壁菌门、放线菌门、酸杆菌门和疣微菌门为主。蚯蚓肠道和蚯蚓堆肥基质中的高细菌多样性促进了动态的微生物相互作用，其中来自堆肥基质的微生物通过蚯蚓摄食活动进入肠道，称为肠道相关过程。肠道微生物群随后通过蚯蚓粪重新引入蚯蚓堆肥生态系统，称为粪便相关过程。重要的是，蚯蚓肠道中常见细菌群落中的某些类群，包括变形菌门、厚壁菌门、放线菌门和拟杆菌门，据报道具有聚合物降解能力。值得注意的是，PLA降解微生物主要已在放线菌中鉴定出，以及假单胞菌属和芽孢杆菌属，表明蚯蚓相关微生物群落可能在蚯蚓堆肥系统中PLA的转化方面具有潜在作用。

堆肥过程中微生物群落动态主要受基质化学特性影响，包括pH、温度、碳氮含量和培养期。维持最佳条件，如C/N比为25-30:1，含水量为55-65%，支持高效的堆肥和分解。此外，原料组成强烈影响蚯蚓堆肥过程中的微生物演替和时空群落动态。不同的生物可降解基质引入不同的微生物种群和生化特性，从而影响分解速率、代谢活动和堆肥稳定性。因此，多样的微生物群落与改善的堆肥质量和有机质分解相关。尽管已知微生物群落受基质化学、堆肥材料和关键类群塑造，但基质化学如何影响蚯蚓堆肥和蚯蚓肠道中生物塑料改良系统中的微生物相互作用仍知之甚少。

微生物群的功能多样性提供了堆肥生物质量的重要见解，并具有重要的生态学意义。群落水平生理剖析通过分析微生物群落对各种碳基质的利用，提供了关于功能多样性和代谢潜力的重要信息。Biolog? EcoPlate? 检测含有胺类、氨基酸、碳水化合物、羧酸和聚合物，代表了多样细菌类群利用的常见基质。尽管几项研究考察了堆肥组成和酶活性对碳利用模式的影响，但据我们所知，关于生物塑料改良蚯蚓堆肥系统中微生物群落在早期、中期和晚期堆肥阶段碳源利用时间模式的信息有限。

尽管对使用蚯蚓堆肥管理可堆肥塑料废物的兴趣日益增长，但关于生物塑料改良堆肥基质中的细菌群落和E. eugeniae肠道在整个堆肥过程中如何变化的信息有限，以及蚯蚓和厨余的存在如何对这些微生物动态和相关代谢功能做出贡献。本研究的创新之处在于对生物塑料改良系统中蚯蚓堆肥和E. eugeniae肠道的细菌群落动态进行时间评估，并结合早期、中期和晚期堆肥阶段的群落水平功能剖析。本研究通过揭示基质组成和蚯蚓存在如何与蚯蚓堆肥含生物塑料基质过程中细菌群落结构和碳源利用的时间变化相关联，推进了当前知识。本研究的主要目标是（i）确定在各种堆肥系统的早期、中期和晚期阶段堆肥和E. eugeniae肠道中细菌群落的时间动态，以及（ii）评估细菌群落利用碳源的代谢功能。我们假设，生物塑料改良蚯蚓堆肥中细菌群落的多样性、组成和结构在堆肥阶段间与肠道环境存在显著差异。我们进一步预期，蚯蚓的存在将增加含生物塑料蚯蚓堆肥中的细菌多样性。此外，我们预期在含不同基质和分解阶段的生物塑料改良堆肥系统中将出现不同的代谢模式，含蚯蚓的基质中代谢活动更高。

章节片段
蚯蚓和材料准备
选择表栖性蚯蚓Eudrilus eugeniae是因为其多样的肠道微生物群可以降解广泛的有机材料，以及其适应含生物塑料微塑料环境的能力。蚯蚓从Growing Bean Worm Farm 1（马来西亚马六甲）获得，并在堆肥实验前驯化七天。在驯化期间，蚯蚓维持在由...组成的垫料中

肠道和蚯蚓堆肥中微生物群的时间动态
使用观察到的OTU、Shannon指数和Simpson指数评估每个处理中堆肥和肠道样本微生物群落的α多样性。总体而言，肠道样本的OTU丰富度、Shannon和Simpson指数低于堆肥样本。PE和PKWE缸中E. eugeniae肠道的OTU丰富度在所有堆肥阶段大致相似。PE和PKWE肠道样本的Shannon指数从...显著降低

蚯蚓肠道和堆肥 harbors 特定细菌群落
本研究显示，在含生物塑料的各种基质堆肥系统中，蚯蚓肠道和堆肥中建立了特定的微生物联合体。在生物塑料改良处理中观察到的细菌群落组成变化可能表明与基质转化相关的微生物种群发生转变。然而，由于16S rRNA测序不直接测量聚合物降解活性，单个类群在PLA...中的参与

结论
本研究考察了多基质组合对蚯蚓堆肥和E. eugeniae肠道中细菌群落时间变化和代谢功能的影响。研究发现，蚯蚓堆肥样本 harbors 更高的微生物群落，尤其是在PKWE中，相比其他堆肥处理和所有培养阶段的肠道样本。厚壁菌门，尤其是芽孢杆菌属的相对丰度在肠道中明显高于堆肥中...

CRediT作者贡献声明
Khoseelaa Vijaya Deventhiran：撰写—原稿、方法论、调查、形式分析、数据整理。Khairul Azmi Muhamad Amin：撰写—审稿与编辑、方法论。Qiang Lin：撰写—审稿与编辑。Jan Frouz：撰写—审稿与编辑。Xiangzhen Li：撰写—审稿与编辑。Huan Li：撰写—审稿与编辑。Petr Heděnec：撰写—审稿与编辑、可视化、软件、形式分析。Amirah Alias：撰写—审稿与编辑、监督、项目管理。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明
在准备本工作期间，作者使用ChatGPT 5.0改进了本手稿的清晰度和可读性。使用工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

资助
本研究由马来西亚高等教育部通过基础研究助学金计划（FRGS/1/2022/WAB02/UMT/03/1）资助。

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报道的工作。

致谢
我们感谢实验室助理在实验室实验中提供的帮助。

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