《Bioresource Technology》：Innovative soil seeding with waste-derived microbial inoculums: Enhancing plastic biodegradation and Revealing microbiome shifts
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塑料废弃物在陆地生态系统中的积累已成为全球环境挑战，本研究开发了一种创新土壤接种法，利用富含微生物的废弃物衍生接种体（堆肥、活性污泥、塑料污染土壤和油污染土壤）促进淀粉、可生物降解生物塑料和聚乙烯的生物降解。实验表明淀粉降解率最高（71-100%），CBP次之（31-56%），LLDPE矿物化率较低（12-22%），且油污染土壤显著提升CBP降解，塑料污染土壤促进LLDPE降解。微生物群落分析揭示Bacillus、Actinobacteriota等菌属在降解中起关键作用。
Fahad Asiri|Mohamed Kishk|Hajar Karam|Kawthar Al-Muhanna|Fahad Al-Najdi|Arwa Al-Enezi|Naser Al-Khalifah|Ahmed Ben Hejji|Fadhilah Al-Salameen|Sultan M. Al-Salem
阿卜杜拉·萨拉姆大学（Abdullah Al Salem University）工程与能源学院，科威特Khaldiya
摘要
塑料废物在陆地生态系统中的积累构成了全球性的环境挑战，需要寻找可持续的替代方案来处理这些废物。好氧生物降解是一种有前景的方法，但大多数研究仅依赖于堆肥系统，往往忽略了不同类型的聚合物以及将废物衍生菌剂引入土壤对聚合物分解的影响。本研究开发了一种创新的土壤接种方法，使用来自实际废物流的富含微生物的菌剂：堆肥（Comp.）、活性污泥（AS）、受塑料污染的土壤（PCS）和受石油污染的土壤（OCS），以促进淀粉、可降解生物塑料（CBP）的生物降解以及线性低密度聚乙烯（LLDPE）的矿化。在受控的土壤条件下评估了生物降解情况，并通过宏分类学分析表征了微生物群落的响应。淀粉的生物降解率最高（71–100%），其次是CBP（31–56%）和LLDPE的矿化（12–22%）。OCS和PCS显著增强了CBP和LLDPE的降解，这与它们的有机含量和碳氮比差异有关。微生物组成的变化揭示了特定聚合物的降解驱动因素，包括用于淀粉的杆菌属（Bacillaceae、Paenibacillus）和Chaetomium，以及用于CBP的放线菌门（Actinobacteriota）、酸微生物门（Acidimicrobiia）、分枝杆菌属（Mycobacterium）和诺卡氏菌属（Nocardioides），尤其是在OCS中。LLDPE的降解率较低，但在添加了Comp.和PCS的土壤中有所改善。总体而言，本研究表明，使用废物衍生菌剂进行定向土壤接种可以显著影响聚合物的降解和微生物群落的演替，为加速自然土壤中的生物降解提供了实用策略，并为未来的可持续塑料管理方法提供了参考。
引言
合成塑料已在全球范围内生产了近一个世纪，因其重量轻、耐用性强、耐化学腐蚀且成本低而受到重视（Singh Jadaun等人，2022年）。然而，由于塑料难以降解，导致塑料固体废物（PSW）的积累，预计到2050年这一数量将超过250亿吨（Geyer等人，2017年），这对环境和健康构成了严重威胁（Ali等人，2021年）。因此，许多科学家将当前时代称为“塑料时代”。PSW占工业和城市废物的很大比例，约占全球20.17亿吨固体废物的12%（Al-Salem等人，2021年）。在科威特，PSW已在垃圾填埋场中累积了30多年，占家庭废物的约16.7%和城市废物的18–20%（EPA，2022年）。聚乙烯（PE），特别是线性低密度聚乙烯（LLDPE），是最广泛使用的石油基塑料之一，2023年的全球市场价值为9010万美元（Al-Salem等人，2019c）。
已经提出了多种PSW管理策略，包括填埋、焚烧、回收和开发可降解塑料（Ali等人，2021年；Asiri等人，2020年）。其中，塑料在土壤中的生物降解被认为是一种有前景、成本效益高且环保的解决方案。生物降解涉及微生物将聚合物分解为更简单的化合物（Ali等人，2021年）。根据美国材料与试验协会（ASTM D6400）的标准，当聚合物中的至少60%的碳在六个月内矿化为水和二氧化碳时，该塑料被认为是可降解的，因为这反映了涉及酶促或化学途径的完整微生物转化过程（Al-Salem等人，2021年）。然而，这一过程通常受到土壤中塑料降解速率的限制，而这一速率可能受到温度、pH值、湿度、有机含量和碳氮比（C/N）等环境因素的影响；同时也受到聚合物特性（如分子量、结晶度和疏水性）的影响。
标准化的实验室测试，如ASTM D5988-18和ISO 17556，通常用于通过二氧化碳（CO2的产生来评估土壤中的好氧塑料生物降解（Al-Salem等人，2019a；Al-Salem等人，2021年；Chinaglia等人，2018年）。这些测试估计了矿化速率，因为目前还没有广泛接受的方法可以直接量化塑料上的微生物生物量（Chinaglia等人，2018年）。ASTM D5988–18是最常用的标准，它在最佳中温条件下评估塑料在土壤堆肥基质中的生物降解情况（Al-Salem等人，2021年；ASTM，2018年）。它通过参考物质（通常是淀粉）来量化测试样品上微生物活动产生的CO2。尽管这些测试有效，但它们通常仅依赖于堆肥，忽略了其他实际环境因素。
用富含微生物的废物衍生菌剂接种自然土壤可以通过向测试基质中引入活性微生物来促进塑料的生物降解。先前的研究表明，菌剂来源显著影响生物降解效率，特别是在堆肥环境中，如表S1所总结的（见补充材料），该表概述了不同菌剂、条件和测试持续时间下的聚合物生物降解情况。例如，市政活性污泥比鸡粪与木屑混合的菌剂具有更高的聚合物降解率（Meereboer等人，2020年）。微生物多样性、代谢活性和菌剂的适应性会影响它们在土壤中的生物降解潜力。
尽管如此，大多数ASTM D5988–18的应用仅使用成熟的堆肥（Comp.）作为唯一的土壤接种菌剂，忽略了其他菌剂来源和聚合物类型（Meereboer等人，2020年）。有必要评估其他菌剂的生物降解性能，如废水活性污泥（AS）、受石油污染的土壤（OCS）和受塑料污染的土壤（PCS）。这些废物衍生材料富含微生物且易于获取。例如，活性污泥中含有水解和氧化降解菌，如Pseudomonas、Bacillus和Acinetobacter，而OCS和PCS则含有适应烃类（HC）和聚乙烯分解的Actinobacteria和Mycobacterium（Ali等人，2021年；Lu等人，2019年；Ma等人，2023年；Vásquez和Millones，2023年）。它们丰富的微生物多样性使它们成为增强塑料生物降解和改进标准土壤测试的有希望的替代品。此外，以往的研究没有考虑土壤接种菌剂和/或聚合物材料对生物降解速率和微生物多样性的影响，而只关注CO2的产生和质量损失。
先前的研究使用ASTM D5988–18评估了科威特境内聚烯烃商用袋/薄膜和PSW添加剂的生物降解和矿化情况（Al-Salem等人，2021年；Kishk等人，2025年），但没有评估菌剂和聚合物类型如何影响微生物动态。因此，本研究评估了使用废物衍生微生物富集菌剂接种自然土壤以增强符合ASTM D5988-18标准的聚合物好氧生物降解的效果。土壤接种菌剂包括羊粪堆肥（Comp.）、废水活性污泥（AS）、受塑料污染的土壤（PCS）和受石油污染的土壤（OCS）。测试的聚合物材料包括化学淀粉（阳性对照）、商用级可降解生物塑料（CBP）和原始LLDPE（阴性对照）。本研究的具体目标是：（i）在生物降解前后表征聚合物和土壤-菌剂基质的物理化学性质；（ii）评估菌剂和聚合物类型对生物降解程度和速率的影响；（iii）利用宏分类学分析微生物群落的变化，以了解生物降解机制。
聚合物材料的来源
本研究中使用的聚合物材料包括原始LLDPE、CBP和化学淀粉。LLDPE为白色半透明颗粒，粒径3毫米（EFDC-7050等级，熔融流动指数（MFI）= 2 g/10 min，密度ρ = 0.918 g/cm3，在当地从EQUATE Petrochemical Co.购买。CBP（Ecovio F23B1可降解母粒）为白色半透明颗粒，从BASF Co.购买。据称CBP符合EN 17033标准，是一种由改性聚（丁酸）-
土壤、废物衍生菌剂和聚合物材料的表征
生物降解（矿化）测试前，自然土壤和各种废物衍生土壤接种菌剂（AS、PCS、Comp.和OCS）的pH值范围为6.64至8.50（见补充材料中的表S2）。所有菌剂的pH值接近中性或略偏碱性；除了AS的pH值为6.64，略呈酸性。这可能是由于废水处理过程中活性微生物产生的有机酸所致（Guo等人，2020年）。这一pH范围反映了中等程度的
CRediT作者贡献声明
Fahad Asiri：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，资源协调，项目管理，方法学研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。Mohamed Kishk：研究，正式分析，数据管理。Hajar Karam：研究，正式分析，数据管理。Kawthar Al-Muhanna：研究，正式分析，数据管理。Fahad Al-Najdi：研究，正式分析，数据管理。Arwa
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。
致谢
感谢科威特科学研究研究所（KISR）在项目FB188K下资助了这项研究。作者还要感谢公共工程部和科威特市政府在收集用于本研究的废水活性污泥和受污染土壤样本方面提供的帮助。
