《Applied Soil Ecology》：Potential biodegradation of plastics through probiotic microbial consortia inoculated during vermicomposting (
Eisenia fetida) of microplastic-spiked biowaste
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本研究针对被微塑料(MP)污染的有机改良剂会损害土壤质量这一环境难题，研究人员开展了利用益生微生物联合体(PMC)强化蚯蚓堆肥以促进塑料降解的探索。他们评估了内源性与外源性PMC对蚯蚓(E. fetida)耐受性和塑料降解率的影响，结果显示，益生菌接种显著提高了蚯蚓在塑料暴露下的存活率，并降低了其氧化应激反应。尽管TGA-MS分析显示LDPE的生物降解率较低，但该研究证实了通过微生物强化提升蚯蚓对塑料污染韧性的潜力，为发展塑料污染原位生物修复技术提供了新思路。
想象一下，在现代化农业的运作中，每年有大量的塑料薄膜、包装袋和受污染的有机肥料被施用到土壤中，这些塑料在环境中碎裂成数以亿计的微塑料（MP）颗粒，悄悄地改变着我们赖以生存的土地。这些肉眼难以察觉的“入侵者”不仅可能降低土壤质量，还可能在食物链中累积，对生态系统健康构成长期威胁。更棘手的是，当我们将含有微塑料的城市污泥、畜禽粪便等有机废弃物进行堆肥处理，并试图将这种“肥料”还田时，实际上可能是在将塑料污染扩散到更广阔的农田。面对这个日益严峻的环境挑战，传统的物理化学处理方法往往成本高昂或可能带来二次污染。那么，有没有一种更“绿色”、更可持续的解决之道呢？自然界本身就蕴含着强大的分解力量。近期发表在《Applied Soil Ecology》上的一项研究，就将目光投向了土壤中的“生态系统工程师”——蚯蚓，以及与其共生的、功能强大的微生物世界，探索了一条通过“生物强化”来对抗塑料污染的新颖路径。
这项研究由来自西班牙米格尔埃尔南德斯大学的Z.E. Blesa Marco等人主导，其核心思路是：既然蚯蚓的肠道及其活动的堆肥环境本身就是一个高效的微型生物反应器，那么我们能否通过“接种”特定的、具有降解塑料潜力的微生物“益生菌”，来增强这个系统的“战斗力”，从而在处置塑料污染废弃物的同时，提升蚯蚓自身的生存能力并加速塑料的分解？研究人员开展了一项中宇宙规模（Mesocosm-scale）的蚯蚓堆肥试验，系统评估了这一生物技术方案的可行性。
为了开展这项研究，作者团队运用了几个关键技术方法。首先，他们从预先暴露于低密度聚乙烯（LDPE）的蚯蚓肠道中分离、筛选并鉴定了一套内源性塑料降解微生物联合体（ENDO-PMC），同时从堆肥环境中挑选了已知具有木质素降解等能力的微生物，组成了外源性联合体（EXO-PMC）。其次，他们设计了精细的蚯蚓堆肥试验，在生物废弃物中人为添加了1.25%的LDPE或混合塑料（LDPE、LLDPE、PS、PET），并分别接种不同的微生物联合体，监测了蚯蚓的存活、体重变化等生理指标。再者，他们采用了多种生物标志物检测技术（如测定乙酰胆碱酯酶AChE、谷胱甘肽GSH/GSSG、脂质过氧化等）来评估蚯蚓的氧化应激和神经毒性反应，并使用综合生物标志物响应指数（IBRv2）进行整合分析。此外，通过选择性培养基和微生物计数，追踪了所接种益生菌在蚯蚓肠道和最终堆肥产物中的定殖情况。最后，为了评估塑料的降解效率，研究采用了热重分析耦合质谱技术（TGA-MS），对堆肥样品中的聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）特征离子碎片进行定量分析。
3.1. 塑料降解微生物的筛选以增强蚯蚓的耐受性
研究人员成功从暴露于塑料的蚯蚓肠道中筛选出9株菌株，经分子鉴定主要为假单胞菌属（Pseudomonas， 占22%）和芽孢杆菌属（Bacillus， 占78%），其中Pseudomonas putida、Bacillus sonorensis和Bacillus licheniformis因其已知的塑料降解能力（如产生角质酶、表面活性剂，可合成聚羟基脂肪酸酯PHA等）被选为构建ENDO-PMC的核心菌株。
3.2. 微塑料对所得蚯蚓粪理化特性的影响
添加塑料（LDPE或混合塑料）的处理导致了总有机碳（TOC）和总有机质（TOM）的轻微但显著升高。接种ENDO和EXO-PMC的处理则显著增加了蚯蚓粪中磷（P）和钾（K）的含量，表明这些微生物可能促进了营养元素的矿化和转化。
3.3. 蚯蚓的存活率和体重变化
研究结果显示，接种ENDO-PMC显著提高了暴露于塑料环境下的蚯蚓存活率，而混合接种（ENDO+EXO， 即Mix C）处理的存活率最高。在体重变化方面，虽然各处理组蚯蚓均出现体重下降，但接种微生物的处理（特别是EXO-PMC）显示出减轻体重下降的趋势，尽管差异未达统计学显著性。这提示益生菌接种有助于增强蚯蚓在塑料污染压力下的生存韧性。
3.4. 微塑料存在和PMC接种对蚯蚓粪酶活性的影响
酶活性分析表明，混合塑料的存在轻微抑制了脱氢酶（DHE）活性，这可能对有机物的生物氧化速率有负面影响。而过氧化氢酶（CAT）活性在塑料暴露处理中有所诱导，尤其是在LDPE处理中，这通常是机体产生氧化应激的标志。值得注意的是，接种ENDO和EXO-PMC后，CAT活性呈现降低或抑制效应。同时，所有PMC接种都诱导了羧酸酯酶（CbE）活性的增加，该酶被认为与蚯蚓肠道微生物介导的解毒机制有关。
3.5. 微塑料对蚯蚓生物标志物反应的生态毒理效应
通过综合生物标志物响应指数（IBRv2）分析发现，暴露于混合塑料显著诱导了蚯蚓的氧化应激（表现为GSH/GSSG值升高）以及可能与神经毒性和细胞损伤相关的反应（AChE和脂质过氧化值升高）。接种ENDO-PMC显著抑制了这些应激生物标志物的反应，特别是在LDPE和混合塑料暴露下。混合接种（Mix C）对缓解LDPE诱导的氧化应激效果最好。这些结果证明，益生菌接种有效缓解了塑料暴露对蚯蚓造成的生理毒性压力。
3.6. 暴露于塑料并接种ENDO和EXO联合体的蚯蚓微生物群落结构
微生物计数结果表明，接种的ENDO-PMC（Pseudomonasspp. 和 Bacillusspp.）成功在蚯蚓肠道中定殖，且在LDPE存在的条件下定殖量最高。这与蚯蚓存活率的提高和氧化应激的降低相吻合，暗示这些益生菌可能在蚯蚓肠道内发挥了保护作用。然而，在蚯蚓粪（堆肥产物）中，所接种的外源微生物（EXO-PMC）的定殖和增殖情况受到本地丰富微生物群落的竞争，结果更为复杂。
3.7. PMC接种试验中聚乙烯和聚苯乙烯的生物降解效率
利用TGA-MS技术对塑料降解效率进行评估的结果较为复杂。在30天的试验结束后，对于聚乙烯（PE），接种ENDO和EXO-PMC的处理显示相关特征离子信号强度有所下降（平均-21% 至 -22%），可能提示发生了降解或官能团改变；而未接种的处理无变化。对于聚苯乙烯（PS），情况则不一致。值得注意的是，研究也发现TGA-MS技术在用于评估此类复杂有机基质中塑料的生物降解过程时存在局限性，例如，蚯蚓粪有机质降解过程中产生的芳香族化合物可能与塑料降解产物信号产生干扰，导致难以明确量化生物降解的程度。
结论与讨论
本研究得出结论，利用从塑料暴露蚯蚓肠道中筛选的Pseudomonasspp. 和Bacillusspp. 作为益生菌（ENDO-PMC）进行接种，能够成功在蚯蚓肠道内定殖。这种“生物强化”策略有效增强了蚯蚓对塑料污染环境的耐受性，具体体现在显著提高了蚯蚓的存活率，并降低了其氧化应激生物标志物反应。这表明，通过调控蚯蚓的肠道微生物组来提升其应对环境污染物的韧性是一条可行的技术路径。尽管在30天的试验期内，通过TGA-MS技术检测到的LDPE生物降解迹象有限，但这可能受限于该检测技术本身在复杂有机基质中区分塑料降解与背景噪音的精度。研究结果强调了微生物益生菌在土壤动物健康管理和污染生态修复中的巨大应用潜力。未来的研究需要进一步优化具有高效降解能力的微生物联合体的构建，并开发或采用更精准、可靠的塑料原位检测与定量技术，以推动这项生物技术从实验室走向实际应用，为应对日益严重的土壤微塑料污染问题提供创新的、基于生态过程的解决方案。
