《Bioresource Technology Reports》：Bioprospecting of polyethylene-degrading microbes from municipal dumping-zone soils delineates metal-adapted strains
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本研究调查印度萨加尔市政垃圾填埋区土壤中耐金属细菌的聚乙烯（PE）降解能力，发现Stutzerimonas stutzeri和Brevibacillus agri具有降解PE的潜力，揭示重金属胁迫下微生物适应性响应对微塑料修复的潜在应用价值。
Kiran Singh | Jaswinder Singh | Adarsh Pal Vig | Shweta Yadav
印度中央邦萨加尔市哈里辛格·高尔大学（Dr. Harisingh Gour Vishwavidyalaya）动物学系，邮编470003
摘要
本研究调查了城市垃圾填埋区的土壤，以分离和鉴定能够在富含金属的环境中降解聚乙烯（PE）的本土细菌。这些土壤含有较高的有机碳，并积累了大量的铜和镉，这种环境压力降低了土壤中天然酶的活性，从而形成了适应金属环境的微生物群落。污染和潜在生态风险指数表明土壤中重金属含量很高。从垃圾填埋场分离出的两种细菌分别为Stutzerimonas stutzeri和Brevibacillus agri。这两种细菌均具有降解聚乙烯的能力，表明在实验条件下它们可能以聚乙烯为碳源和能源。在金属胁迫下，这些细菌仍能持续存活并降解聚乙烯，表明它们具有适应性。总体而言，这些发现表明城市垃圾填埋场土壤是耐金属细菌的储存库，对未来微塑料生物技术应用具有潜在价值。
引言
随着人口快速增长，对产品和资源的需求也在增加，导致城市固体废物的产生量大幅上升。在许多发展中国家，家庭垃圾中通常含有可生物降解和不可生物降解的塑料废物以及其他难以分离的材料（Sharma和Jain，2020年）。在城市废物中，聚乙烯（PE）是最持久且危害最大的污染物之一，占全球塑料产量的约36%，预计到2026年这一比例将增加到1.214亿吨（Rovaletti等人，2023年）。聚乙烯极难降解，在自然条件下其降解时间需要500至1000年，这引发了一场迫切的环境危机，需要立即采取创新措施来解决。
聚乙烯污染对土壤生态系统造成多重危害。从物理角度来看，聚乙烯的积累会堵塞土壤孔隙，降低土壤的通气性和保水能力，从而影响根系生长和养分循环（Rovaletti等人，2023年）。从化学角度来看，聚乙烯会作为邻苯二甲酸盐和双酚等内分泌干扰物的载体。此外，聚乙烯碎片会形成“塑料圈”，促进病原体和重金属进入地下水（Bruce-Vanderpuije等人，2025年）。这种污染具有严重的生态毒性效应，某些土壤物种（如Heterocypris incongruens）的死亡率可高达85%（Bruce-Vanderpuije等人，2025年）。最后，聚乙烯会显著降低对养分循环和有机物分解至关重要的酶活性（Adu和Aneke，2025年）。
混合废物的存在，尤其是聚乙烯与可生物降解材料的结合，严重限制了有效的回收和堆肥工作。由于缺乏适当的分类，许多未经处理的废物被倾倒在露天垃圾场，导致聚乙烯长期积累并成为持续的污染源。这种未经管理的废物堆积会改变周围土壤的物理化学和生物特性，从而导致长期的环境退化（Choudhary等人，2024年）。先前的研究表明，受污染的土壤通常含有较高的有机质，但土壤酶活性降低，表明污染物（尤其是像聚乙烯这样的难降解聚合物）抑制了土壤功能所需的微生物过程（Adu和Aneke，2025年）。长期堆积未经处理的含聚乙烯废物会提高重金属和颗粒污染物的浓度，从而增加土壤毒性并破坏生态平衡（Adu和Aneke，2025年；Abile等人，2025年）。这些污染相关变化改变了养分动态，降低了植被生产力，最终影响土壤健康并威胁受影响地区的粮食安全（Dibua等人，2025年）。
解决聚乙烯污染问题的紧迫性体现在几个关键因素上：（1）全球聚乙烯生产和废物产生的指数级增长；（2）传统废物管理方法无法有效处理聚乙烯废物；（3）越来越多的证据表明聚乙烯对生态和健康造成严重影响；（4）聚乙烯在环境中的长期存在。传统的废物管理方法（如填埋和焚烧）已被证明不足以解决聚乙烯污染问题。填埋只是将问题转移，导致添加剂继续渗出和微塑料积累，而焚烧则会释放有毒物质（包括二噁英和温室气体），引发更多的环境和健康问题。因此，迫切需要探索可持续的替代方案，特别是利用微生物进行聚乙烯生物降解和环境修复（Nanda和Berruti，2021年）。
微生物生物降解为解决聚乙烯污染危机提供了有希望的途径，因为某些细菌菌株具有分解聚乙烯聚合物为无害化合物的酶活性。这些细菌的效率取决于多种土壤条件，如pH值、湿度、有机碳和养分含量，这些因素会影响它们的酶活性和整体表现（Williams等人，2025年）。了解土壤特性与微生物活性之间的关系对于改进生物降解过程和开发成功的生物修复策略至关重要。研究表明，受污染的土壤中经常含有能够降解塑料废物（尤其是聚乙烯）的细菌。识别和鉴定这些降解聚乙烯的细菌是开发实用生物修复技术的关键步骤，以减轻聚乙烯污染造成的环境破坏。
尽管全球范围内已经充分记录了城市固体废物和聚乙烯污染对土壤质量的影响，但在包括印度在内的许多地区，这一问题仍然是一个严重的环境挑战（Sharma和Jain，2020年；Choudhary等人，2024年）。在印度中央邦的萨加尔市，露天垃圾倾倒导致聚乙烯污染持续存在，影响了土壤性质、地下水质量和人类健康以及整体生态稳定性。这一情况凸显了聚乙烯生物降解的紧迫性，因为当地的环境条件、微生物群落和污染模式可能与其他研究地点存在显著差异。
本研究调查了土壤的物理化学性质、重金属的垂直分布以及关键生物指标（包括关键土壤酶活性）。通过污染指数、地质累积因子和潜在生态风险指数评估了土壤质量。此外，还分离并鉴定了与聚乙烯微塑料颗粒相关的细菌群落，并评估了土壤特性（特别是酶活性和重金属污染）对微塑料相关微生物的影响。总体而言，本研究的目标是识别具有降解聚乙烯能力的细菌种类，为生物修复提供候选微生物，并加深对调控土壤生态系统中聚乙烯降解的环境因素的理解。
研究区域的环境概况
研究区域的环境特征
土壤样本来自四个固体废物填埋场（A点、B点、C点和D点），这些填埋场位于地面以上约200至250英尺处，同时还采集了来自印度中央邦萨加尔市的对照花园土壤（表1）。使用土壤钻探仪从0至25厘米深度采集样本进行物理化学分析。A点代表垃圾堆的顶部，B点代表底部，C点位于砖厂附近，D点：
垃圾填埋场土壤化学成分的空间变异性和污染特征
从不同地点采集的土壤样本的pH值和含水量与对照土壤相比存在显著差异。A点（位于垃圾堆顶部）的pH值为5.3±0.15，属于最酸性的条件；而C点（位于砖厂附近）的pH值为7.7±0.21，属于最碱性的条件。虽然对照土壤也呈碱性，但垃圾填埋场土壤的pH值范围
结论
研究表明，城市垃圾填埋区的土壤富含镉、铅、砷和铜，这些金属导致了明显的金属污染和生态风险。这些金属改变了土壤化学性质，抑制了酶活性，重塑了微生物的功能动态，从而限制了土壤群落处理外来底物的能力。酶活性的抑制与金属诱导的蛋白质变性有关
CRediT作者贡献声明
Kiran Singh：撰写初稿、可视化处理、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构思。Jaswinder Singh：项目管理工作。Adarsh Pal Vig：项目管理工作。Shweta Yadav：撰写与编辑、可视化处理、结果验证、监督工作、项目管理工作及概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了印度科技部生物技术部门的财政支持（资助编号：BT/PR46201/BCE/8/1623/2022）。
