《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Process Optimization for PVC Biodegradation and Metabolic Responses of Bacterial Consortia in Soil
编辑推荐：
•通过RSM-CCD优化的细菌菌群对PVC的生物降解•在40°C、pH-7、0.3% PVC、10%接种量的土壤中，生物降解率提高至41%•多分析方法（FTIR、TGA、GC-MS、SEM、AFM）证实了PVC的降解•中间代谢产物和CO2释放验证了土壤中PVC的矿化作用•微生
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通过RSM-CCD优化的细菌菌群对PVC的生物降解
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在40°C、pH-7、0.3% PVC、10%接种量的土壤中，生物降解率提高至41%
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多分析方法（FTIR、TGA、GC-MS、SEM、AFM）证实了PVC的降解
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中间代谢产物和CO2释放验证了土壤中PVC的矿化作用
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微生物代谢通过FDA、DHA和植物毒性指标改善了土壤健康
引言
快速工业化、城市扩张和消费者需求推动了全球塑料产量的指数级增长，导致合成聚合物废弃物在环境中广泛积累[1]。全球年塑料产量已超过4亿吨，预计到2050年可能达到约10亿吨，其中很大一部分仍未得到妥善管理[2]。其中，聚氯乙烯（PVC）是产量最大的热塑性塑料之一，约占全球塑料总产量的10-12%，这归功于其耐用性、多用途性和成本效益[3]、[4]。然而，PVC固有的化学结构特点——高分子量、强碳-氯（C-Cl）键、疏水性、缺乏易水解官能团以及高添加剂含量（如邻苯二甲酸酯、重金属）——使其对自然降解过程具有高度抗性[5]、[6]，导致其在陆地和水生生态系统中长期存在，降解可能需要数十年至数百年[4]。
传统的PVC废弃物管理策略，包括填埋、焚烧和机械回收，面临着重大的环境和技术挑战[7]、[8]。预计全球产生的塑料废弃物中有超过75%最终积累在填埋场或自然环境中，PVC因其极低的回收率（闭环回收率<1%）而贡献巨大[9]、[10]。尽管人们的意识不断增强，传统处置方式仍占据主导地位：在当前条件下，约15%的废弃PVC被焚烧，导致长期土壤和地下水污染以及有毒污染物的排放[11]。仅在欧洲联盟，每年约有260万至290万吨PVC废弃物被填埋，而在美国，每年约有17亿磅PVC进入市政固体废物填埋场[12]、[13]。填埋仅仅将负担转移至土壤系统中，PVC在此处可能持续数百年，而焚烧则会导致二噁英和呋喃等危险氯化副产物的形成[14]。机械回收进一步受到聚合物污染、材料性能退化和经济限制的制约，导致大量PVC废弃物未被妥善处理[15]。这些局限性迫切需要开发可持续且环境高效的PVC处置替代方案。
生物降解作为一种有前景的绿色方法，利用微生物的代谢能力将聚合物材料转化为更简单的化合物，如CO?、H?O和生物量[16]、[17]、[18]。生物降解过程通常涉及微生物定殖、酶促解聚和随后的矿化[19]。然而，与聚乙烯（PE）、聚乳酸（PLA）或聚丙烯（PP）等其他聚合物相比，PVC的生物降解仍然极具挑战性，原因在于其疏水性、结构抗降解性以及氯原子对酶活的抑制作用[3]、[20]。研究表明，PVC在通用塑料中具有最低的生物降解率之一，在自然条件下经过较长时间后，其报告的重量损失通常低于10-20%[3]。因此，在自然条件下实现PVC的完全矿化极为罕见。
近期的研究已探索了来自土壤、垃圾填埋场和堆肥系统等的纯菌种和混合微生物菌群潜力[21]、[22]、[23]。包括假单胞菌属（Pseudomonas species）、金黄色葡萄球菌（Micrococcus luteus）、黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）和芽孢杆菌属（Bacillus species）在内的单一细菌菌株已展现出有限的PVC降解能力，通常实现<10%的重量减少，主要通过表面修饰和部分脱氯作用[24]、[25]、[26]、[27]。相比之下，微生物菌群显示出相对增强的降解效率，报告显示由于协同作用、互补的酶系统以及改善的生物膜形成，重量损失可提高至20-30%，从而促进聚合物的定殖和分解[28]、[29]、[30]。尽管取得了这些进展，降解效率仍然中等，凸显了对优化和整合策略的需求[15]。微生物对PVC降解的效率受到操作参数的强烈影响，如温度、pH、聚合物浓度、接种量、含水量和时间周期[31]、[32]。基于"一次一因素（OFAT）"实验的传统优化方法是耗时的，且无法捕捉变量间的交互效应[33]。在此背景下，"响应面法（RSM）"等统计工具提供了多元优化的强大框架，能够通过"中心复合设计（CCD）"或"Box-Behnken设计（BBD）"等设计方法开发预测模型并识别最佳条件[34]、[35]、[36]。尽管RSM已成功应用于增强其他聚合物的生物降解，但其应用于PVC生物转化——特别是使用微生物菌群——仍然有限[37]、[38]、[39]。
第二个主要知识空白是关于缺乏整合的机理和生态验证。大多数已发表的研究主要报告重量法重量损失或孤立的表面表征，对负责PVC转化的生化途径提供有限的见解，对生物降解过程的环境安全性也缺乏证据[40]、[41]。结合矿化分析、碳/氯归宿、理化表征、降解代谢产物分析和土壤生物响应的综合验证仍然稀缺。此外，很少有研究评估微生物PVC降解是否通过生物指示剂（如脱氢酶（DHA）、荧光素二乙酸酯（FDA）活性和植物发芽试验）对土壤功能的恢复做出贡献，这些指标对于评估生物修复后的生态恢复至关重要。因此，本研究解决了关于土壤中PVC降解机制的关键知识空白，为了解其环境命运和潜在生态后果提供了有价值的见解。
因此，本研究旨在利用由溶芽孢杆菌属（Lysinibacillus）、芽孢杆菌属（Bacillus）、葡萄球菌属（Staphylococcus）、细杆菌属（Exiguobacterium）和放线杆菌属（Arthrobacter）组成的细菌菌群，开发一个统计优化且具有环境相关性的PVC生物降解框架。采用基于CCD的RSM优化温度、pH、PVC浓度和接种量，同时通过土壤微宇宙实验验证优化条件。通过CO?释放、离子色谱法（IC）、水接触角（WCA）、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱法（SEM-EDS）、原子力显微镜（AFM）、衰减全反射傅里叶变换红外光谱法（ATR-FTIR）、热重分析（TGA）和气相色谱-质谱联用法（GC-MS）全面评估生物转化过程，以阐明结构、化学和矿化变化。此外，评估了土壤DHA和FDA活性以及芥菜（Brassica juncea L）种子发芽情况，以确定微生物活性、土壤生物恢复和潜在植物毒性。本研究的创新之处在于将统计优化、机理验证、氯/碳归宿分析和生态评估整合到一个PVC生物降解框架中，为支持开发可持续微生物技术以管理PVC废弃物和修复塑料污染土壤提供了环境相关的证据。
章节摘要
化学品和材料
聚氯乙烯（PVC）薄膜（厚度0.05毫米，密度0.950 g cm?3）购自印度Nagpur的IndiaMART。PVC配方含有大量添加剂（约占35-40%），如增塑剂、稳定剂、润滑剂、填料、颜料、阻燃剂和抗氧化剂。PVC薄膜的元素组成已在我们的前研究报告中报道[28]。实验前，PVC薄膜依次用去离子水、2%（w/v）十二烷基硫酸钠和75%
统计分析
每个实验处理均使用独立的实验重复进行，结果以平均值±标准差（SD）表示。RSM-CCD包含30次实验运行，包括重复的中心点条件，用于估计实验误差和评估模型适用性。优化条件通过三个独立制备的土壤微宇宙（n = 3）进行独立验证。技术/空间测量从同一实验单元获取。RSM数据经过分析
PVC降解细菌菌群的应用
由溶芽孢杆菌属、芽孢杆菌属、葡萄球菌属、细杆菌属和放线杆菌属组成的细菌菌群NH-AQ[28]被用于后续的土壤优化研究。根据它们在PVC底物上的生长特性、生物膜形成能力和酶活性选择菌群成员[28]。为进一步评估生物安全性，通过血液琼脂板评估了每个细菌分离株的溶血活性。每个细菌分离株都具有代谢多样性和
结论
总之，本研究证明了细菌菌群通过协调氧化、脱氯和矿化过程，在优化条件下显著改善了土壤中PVC的生物降解。RSM分析揭示了在土壤中获得最大生物降解的有效条件，分析方法如SEM-EDS、AFM、ATR-FTIR、TGA、GC-MS、IC、CO?释放以及整合的碳-氯归宿，共同阐明了物理化学和生物化学
CRediT作者贡献声明
Asifa Qureshi：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、调查、概念化。Neha Hatwar：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据整理、概念化。
利益冲突声明
所有作者已同意将本稿件提交至本期刊。所有作者声明没有利益冲突。作者声明没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。
致谢
作者感谢印度Nagpur的CSIR-国家环境工程研究所以提供本研究所需的必要基础设施。Neha Hatwar感谢大学拨款委员会（UGC）高级研究奖学金为其博士工作提供的财政支持（CSIR-UGC-NET-2021年8月，批件号191620062301）。稿件已通过iThenticate软件进行内部抄袭检查
Neha Hatwar|Asifa Qureshi
