印度库马拉斯瓦米湖中分离出的枯草芽孢杆菌（Bacillus cereus）、奇异无色杆菌（Achromobacter insolitus）和粪肠杆菌（Bacillus stercoris）对线性低密度聚乙烯塑料的降解作用

《Process Safety and Environmental Protection》：Linear low-density polyethylene plastic degradation by Bacillus cereus, Achromobacter insolitus, and Bacillus stercoris isolated from Kumaraswamy Lake, India

LLDPE降解微生物研究：从印度Kumaraswamy湖分离的15株细菌经60天培养，Bacillus cereus、Achromobacter insolitus和Bacillus stercoris降解率达6.27%-10.84%，FESEM-EDX和ATR-FTIR证实表面侵蚀与化学结构变化，生物降解可降低微塑料生态毒性。

　　

Davis Kaimalayil Ephsy | Selvaraju Raja

印度泰米尔纳德邦哥印拜陀Kongunadu艺术与科学学院动物学系，邮编641029

摘要

本研究旨在从Kumaraswamy湖中鉴定能够降解LLDPE的微生物，并考察其在60天内的生物降解活性。在15个细菌分离株中，根据20天暴露后对LLDPE薄膜的降解能力，选择了Bacillus cereus、Achromobacter insolitus和Bacillus stercoris进行详细研究。60天后，Bacillus cereus的塑料降解速率最快，为10.84 ± 0.39%；其次是Achromobacter insolitus，降解率为8.25 ± 0.19%；Bacillus stercoris的降解率为6.27 ± 0.29%。FESEM分析显示，未经处理的LLDPE表面光滑均匀，而经过Bacillus cereus处理的LLDPE则出现了凹陷、生物侵蚀、粗糙度增加、裂纹和沟槽。EDX分析表明，细菌降解后LLDPE的成分发生了显著变化：碳含量从94.56%（对照组）降至86.96%（Bacillus cereus处理）和87.19%（Achromobacter insolitus处理）；氧含量分别从3.52%增加到10.99%和10.75%。细菌处理的LLDPE的ATR-FTIR光谱与对照组相比有显著差异，表明发生了生物降解和结构变化，包括C=C键的伸展以及酰胺基团的形成，同时还形成了羟基（-OH）和羰基（C=O）基团，这表明发生了氧化和聚合物降解。细菌在LLDPE中的生长增强表明它们利用LLDPE作为碳源。这些发现突显了本土淡水细菌在LLDPE塑料生物降解方面的潜力，为减轻塑料污染提供了一种可持续的生物方法。

引言

由于塑料在各种生态系统中的持续存在和积累，塑料污染已成为一个主要的环境问题（Geyer等人，2017年）。尺寸小于5毫米的微塑料颗粒是由较大的塑料物品通过自然和人为因素（如光降解（Yousif和Haddad，2013年）、生物降解、机械磨损、催化作用和热氧化（Shah等人，2008年；Singh和Sharma，2008年）逐渐分解产生的，这些微塑料在海洋、河流、湖泊、土壤甚至大气中广泛分布，加剧了生态风险。聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯等塑料由于其高分子量、疏水性和结晶结构而具有很强的抗自然降解性，导致它们在陆地和水生环境中长期积累（Hakkarainen和Albertsson，2004年；Andrady，2015年）。微生物生物降解已成为管理聚乙烯废物的一个有前景的环保策略。多项研究表明，包括Bacillus、Achromobacter、Pseudomonas和Rhodococcus在内的多种微生物能够引发聚乙烯薄膜的氧化、表面侵蚀和质量损失（Jebashalomi等人，2024年；Esmaeili等人，2013年；Ojha等人，2017年）。特别是Bacillus cereus，通过酶促氧化作用能够定殖并降解聚乙烯，导致羰基和羟基的增加，这些变化通过FTIR和SEM分析得以检测（Esmaeili等人，2013年）。

微生物降解塑料已成为传统物理和化学塑料废物管理方法的有希望的替代方案。传统的塑料废物管理方法（如填埋和焚烧）存在环境风险，因此微生物降解是一种更环保的选择（Shah等人，2008年）。例如，塑料的非晶区域比晶区域更容易受到微生物的攻击，因为微生物酶更容易接触到这些区域（Yuan等人，2020年）。微生物降解塑料的效率受多种因素影响，包括聚合物的性质（分子量、结晶度和疏水性）、环境条件（温度、pH值和氧气供应）以及微生物的酶活性（Wilkes和Aristilde，2017年）。真菌、细菌和放线菌等微生物能够将天然和合成塑料降解为微塑料（Alshehrei，2017年）。塑料降解是21世纪最紧迫的环境挑战之一，因为合成聚合物需要数百年才能降解，导致其在全球生态系统中大量积累。塑料材料，尤其是一次性塑料的广泛使用，造成了严重的环境污染。这些材料通常不可生物降解，其在环境中的持久存在会对野生动物、生态系统和人类健康造成危害（Andrady，2015年；Jambeck等人，2015年）。在生物降解过程中，细菌和真菌等微生物通过定殖在聚合物表面、分泌胞外酶，并逐步将聚合物转化为可代谢的小分子来启动塑料的分解（Yuan等人，2020年）。一些细菌进化出了专门的酶，能够将聚乙烯等塑料成分分解为更简单的化合物，从而被吸收和进一步矿化（Yuan等人，2020年；Nazeer等人，2024年）。从受塑料污染的环境中分离出的多种微生物（包括细菌和真菌）已被证明具有通过酶作用降解塑料的能力（Shah等人，2008年）。这些微生物会在塑料表面形成生物膜，并分泌胞外酶，促进聚合物链的断裂，最终在有氧条件下转化为CO₂和H₂O，在厌氧条件下则转化为甲烷（Wilkes和Aristilde，2017年）。在塑料降解发生之前，微生物必须先定殖在塑料表面。这种定殖通常通过形成生物膜实现，微生物细胞嵌入胞外聚合物物质（EPS）中，从而实现稳定的附着并增强聚合物的酶降解。生物膜为微生物提供结构支持和保护，使其能够抵御环境压力，提高降解效率（Yuan等人，2020年）。

线性低密度聚乙烯（LLDPE）是全球使用最广泛的塑料之一，在陆地和水生生态系统中占塑料废物的很大比例。我们在印度南部淡水系统的实地调查发现，LLDPE微塑料在表层水和沉积物中普遍存在，尤其是在受城市影响的湖泊中，如印度的Kumaraswamy湖（Ephsy和Raja，2023年；Ephsy和Raja，2026年）。LLDPE在水生环境中的主导地位凸显了迫切需要有效的、环境友好的缓解策略。虽然一些早期研究通过紫外线照射、热氧化或化学修饰等预处理方法提高了生物降解效率（Yousif和Haddad，2013年；Hakkarainen和Albertsson，2004年；Rojas-Trejo等人，2025年；Davis和Raja，2020年），但本研究专注于评估细菌分离株对未经处理的LLDPE的自然降解潜力。这种方法无需依赖人工增强方法即可评估环境细菌菌株的固有生物降解能力。然而，大多数研究集中在LDPE和HDPE上，关于LLDPE生物降解的报道仍然有限。此外，降解菌株的有效性可能因环境来源而异，这突显了研究特定地点微生物群落的重要性（Ghatge等人，2020年）。湖泊和池塘等淡水生态系统经常积累塑料碎片，为潜在的塑料降解微生物创造了生态栖息地。傅里叶变换红外光谱和场发射扫描电子显微镜结合能量分散X射线光谱（FESEM-EDX）是常用的确认聚合物降解的技术。ATR-FTIR分析可以识别功能基团的结构变化，表明聚合物链的降解（Jebashalomi等人，2024年）。FESEM可以显示表面形态变化，如裂纹、凹陷和侵蚀（Harshvardhan和Jha，2013年），而EDX可以检测元素组成的变化，从而确认降解（Jebashalomi等人，2024年）。

重要的是，微生物对塑料的降解也可能影响其生态毒性。我们最近的生态毒理学研究表明，由Bacillus cereus降解的LLDPE微塑料对淡水鱼类Catla catla的生长、行为、抗氧化反应和血液健康的影响明显低于未经降解的LLDPE微塑料（Ephsy和Raja，2025年）。这些发现表明，微生物降解不仅改变了塑料的物理化学性质，还可能减轻其生物影响。然而，这种缓解效果取决于自然淡水环境中高效降解塑料的微生物的可用性。因此，本研究重点是从Kumaraswamy湖中分离和鉴定能够降解LLDPE的细菌，并在受控实验室条件下评估其降解潜力。从Kumaraswamy湖收集的LLDPE样本中共分离出15个细菌分离株，并系统地筛选了它们的降解能力。其中，Bacillus cereus PB5、Achromobacter insolitus PB7和Bacillus stercoris PB15表现出最高的LLDPE降解潜力。因此，选择了这三个菌株进行详细研究，并通过重量损失测量、ATR-FTIR和FESEM-EDX分析全面评估了它们的降解效率。

样本采集

2019年，我们从印度泰米尔纳德邦哥印拜陀的Kumaraswamy湖沉积物中采集了LLDPE塑料样本（纬度：11.0043278；经度：77.9436639）。该湖泊的详细信息已在我们的先前研究中记录（Ephsy和Raja，2023年）。每个样本都在无菌条件下被记录并带到实验室进行LLDPE降解微生物的分离。

营养琼脂的制备

营养琼脂成分包括：蛋白胨5克、牛肉提取物3克、酵母提取物...

最佳LLDPE降解分离株的选择

选出的15个能够在20天内降解LLDPE的细菌分离株（补充数据表1）。这些分离株分别标记为PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7、PB8、PB9、PB10、PB11、PB12、PB13和PB15。在测试的分离株中，PB5的降解效果最好，使LLDPE重量减少了1.50 ± 0.02毫克，相当于5.64 ± 0.08%的重量损失；PB7和PB15的降解效果也显著，重量分别减少了1.31 ± 0.03毫克（4.92 ± 0.11%）和1.21 ± 0.08毫克。

从塑料中降解细菌

从Kumaraswamy湖收集的LLDPE微塑料样本中获得了15个不同的细菌分离株，用于后续的LLDPE降解实验（补充数据表1）。由于某些分离株对LLDPE的酶活性有限或需要更长的培养时间才能实现显著降解，因此它们的重量损失较小（Tareen等人，2022年）。

结论

本研究表明，从Kumaraswamy湖分离出的本土细菌菌株能够有效降解LLDPE塑料，其中Bacillus cereus、Achromobacter insolitus和Bacillus stercoris表现出显著的降解能力。生长动态、重量损失分析、ATR-FTIR光谱变化和FESEM-EDX表面表征的综合证据证实了微生物与LLDPE聚合物的活性相互作用和结构变化。值得注意的是，Bacillus cereus...

作者贡献声明

RAJA SELVARAJU：撰写、审稿与编辑、监督。 Davis Kaimalayil Ephsy：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件使用、资源准备、方法设计、实验设计、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Kongunadu艺术与科学学院提供的实验室设施。