【文献解读】ACS Sustain.Chem.Eng.蚯蚓在促进生物降解塑料降解中的潜在用途

背景介绍

塑料在现代生活中无处不在，由于其可降解性差，长期存放于自然环境会产生大量微塑料，这是目前全球环境领域关注的一个新的热点问题。其中，农业土壤是塑料垃圾污染的重灾区，而地膜是农业土壤塑料污染的主要来源。据报道，全世界每年约有70万吨地膜用于农业生产过程中，而且这一数字还在逐年增加，尽管地膜的使用会严重影响土壤质量，然而，地膜的使用可以极大地改善农作物的生长情况，出于成本方面的考虑，地膜技术仍然是集约农业的理想选择。

生物降解聚合物（BPs）正代替传统的聚乙烯基聚合物用于制备可降解地膜，然而，BPs的野外生物降解通常不会以标准化实验室测试中显示的预测速率发生。许多环境(如温度、pH和水分)和酶的限制使得BPs在田间的微生物降解变得复杂和不可预测。

基于此，来自西班牙萨拉曼卡大学的Juan C. Sanchez-Hernandez教授等人建议利用蚯蚓为微生物塑料降解者创造有利的栖息地来促进BPs的生物降解。本文介绍了蚯蚓作为塑料生物降解载体的两种实际方案：(1)通过在农业土壤中接种土生蚯蚓来增强生物扰动；(2)利用可生物降解塑料与固体有机废物混合进行蚯蚓堆肥。

图文解读

在好氧环境中，聚合物的生物降解可总结为：

C_polymer＋O₂→CO₂＋H₂O＋C_biomass＋C_residue

其中，C_polymer代表聚合物中的碳，C_biomass是指被微生物同化的碳部分，而C_residue是在不完全生物降解的情况下残留在残余聚合物和单体中的碳。这一过程可分为三个步骤进行描述:(1)微生物定居和生物降解， (2)酶促解聚(即将聚合物转化为其单体或单体混合物的过程)和(3)同化和矿化(图2)。第一步是在微生物和分解动物的共同作用下，对BP进行表面侵蚀和碎裂。新形成的碎片和腐蚀表面的增加可能会促进生物降解，因为暴露于微生物群落的表面数量增加。第二步是由真菌和细菌分泌的外切酶引发聚合物的化学分解(解聚)。同化是聚合物生物降解的最后一步，它描述了微生物对单体的吸收及其用于维持细胞功能，最终产生CO₂和H₂O并合成生物分子(图2)。

尽管塑料聚合物的生物降解完全是微生物造成的，但其他土壤动物成分也可能直接或间接导致它们的生物降解，同时促进微生物降解聚合物(图2)。其中，蚯蚓是生物降解最活跃的促进者之一，因为它们对土壤微生物有很强的影响和强烈的土壤生物扰动(定义为各种生物对土壤和沉积物的生物改造，包括微生物、生根植物、 和穴居动物)。同时蚯蚓的胃肠和皮肤粘液分泌物还是对土壤微生物的重要养分来源。此外，蚯蚓还可以间接刺激能够解聚塑料聚合物的微生物外切酶的产生。因此，作者认为蚯蚓可以为提高BPs的生物降解速率的微生物创造栖息地。

作者引用Huerta Lwanga等人的研究揭示了蚯蚓(图4A)与中塑料和微塑料的相互作用方式类似于其与树叶的相互作用。蚯蚓能够通过以下两个过程将低密度聚乙烯颗粒(≤150微米大小)主动运输到底土:(1)拖动与微塑料混合的垃圾和(2)摄入受微塑料污染的垃圾。这些过程可以促进可生物降解塑料在旱层中建立的微生物群落和土壤中型动物的生物可获得性。

蚯蚓的生物扰动为塑料生物降解定义了四种潜在的微生境。第一个微生境是通过中层在土壤表面形成的。蚯蚓和大多数无脊椎动物能够将塑料碎片、垃圾聚集在一起(图5，微生境1)。第二个微栖息地是洞穴壁，在那里中塑料和微塑料可以被无脊椎蚯蚓积累(图5，微栖息地2，和图4B)。第三个微生境由沉积在土壤表面或洞穴壁上的蚯蚓粪代表(图5，微生境1和3)。塑料生物降解的最后一个微生境则发生在蚯蚓的胃肠腔中(图5，微生境4)。蚯蚓的胃肠道中共生体和消化酶的活性可能有助于生物可降解塑料的解聚。

有机覆盖(即在土壤表面覆盖一层有机物质，如植物垃圾或动物粪便)对蚯蚓种群的有益影响已被证实，这种影响归因于食物供应的增加(有机覆盖物)、覆盖物作为蚯蚓抵御鸟类等食肉动物的庇护所的作用，以及覆盖物下方较高且一致的土壤湿度，这有利于蚯蚓的生存和活动。然而，目前尚未有研究探究塑料覆盖技术对蚯蚓的影响。作者假设蚯蚓也可以在塑料薄膜土壤中提供多种直接和间接的有益效果，只要它们在表层土壤上有有机覆盖物(图6)。在这个概念模型中，蚯蚓在地膜覆盖技术中可以发挥以下两个主要的化学作用:增加养分的有效性和去除土壤有机污染物和病原体。前者是通过增加蚯蚓处理土壤中的外酶活性(例如磷酸单酯酶、脲酶、芳基硫酸酯酶和葡糖苷酶等)来实现的，后者是通过蚯蚓本身肠胃系统摄取污染物与病原体并积累在身体组织中。土壤接种蚯蚓被证明是生态系统恢复的一个可行选择。因此，作者建议在作物季节开始时接种蚯蚓，则不仅蚯蚓可以从土壤条件中受益(例如，通过滴灌保持恒定的湿度)，幼苗和植物也可以从蚯蚓的生物扰动中受益。

堆肥是塑料垃圾的一种常用的处理方式，是指有机废物在高温条件下与有氧环境中的生物分解，在这种环境中，微生物分解有机物，释放H₂O和CO₂。可生物降解塑料通常被设计为易于使用堆肥设施进行生物降解，然而，研究表明，堆肥不足以完全降解BPs，甚至可能产生含有残留地膜添加剂的堆肥。而在堆肥过程中，加速这些聚合物生物降解的一种方法是添加特定的外源微生物菌株(即生物强化)。在这种情况下，作者提出的促进生物降解的第二个策略是用混合固体有机废物和生物降解塑料进行蚯蚓堆肥。在蚯蚓堆肥过程中，蚯蚓通过刺激微生物增殖与粘液的分泌将微生物分布在原料中来触发生物过程。因此，与普通堆肥相比，蚯蚓堆肥技术是一种成本效益高、节能且更快的从有机固体原料中产生有机肥的技术。

总结与展望

在过去的十年里，许多研究表明了塑料污染在海洋和淡水生态系统中的严重程度和威胁。然而，现在的新挑战是陆地系统，它接收的塑料碎片和微塑料比海洋估计的要多得多。使用可生物降解的塑料似乎是一种可行的选择，可以减少不可生物降解的微塑料对环境的高污染。然而，最近的研究表明，这些聚合物的生物降解率没有标准化实验室测试预测的高。从这个角度来看，作者建议使用蚯蚓通过以下两种实用策略来加速生物降解速率:(1)通过向土壤中接种蚯蚓来加强生物扰动；(2)用混合塑料碎片和固体有机废物进行蚯蚓堆肥。土壤蚯蚓(备选方案1)和堆肥蚯蚓(备选方案2)对微生物群落和中动物群的刺激作用表明，可生物降解塑料碎片在土壤、工业或家庭堆肥中的持久性可以降低。然而，这一观点也提出了值得进一步研究的问题。例如，蚯蚓和微生物种群将如何集体应对可能含有污染物残留物(如金属、除草剂、杀虫剂)的BPs的存在，蚯蚓能否吸收塑料衍生的单体，从而促进聚合物矿化？总的来说，蚯蚓对塑料和生物降解的协同效应为未来的研究提供了一个有趣的课题。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b05450

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