生物塑料在土壤中的降解：微生物群落对抗气候变化

生物可降解塑料的想法一开始听起来不错。然而，关于它们在土壤中是如何退化的，以及气候变化是如何影响它们的，我们知之甚少。在最近的两项研究中，亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）的土壤生态学家已经证明了哪种微生物群落对降解负责，气候在这一过程中起着什么作用，以及为什么生物降解塑料仍然存在问题。

最终进入土壤、海洋或内陆水域的塑料会伤害生活在那里的生物体，并导致生态系统的严重和长期破坏。因此，开发和增加使用生物降解塑料是更加生态经济的重点。UFZ的土壤生态学家François Buscot教授说：“尽管生物降解塑料有着正面的形象，但我们对其在土壤中的作用或降解方式知之甚少。”。

为了进一步阐明这一点，Buscot的研究团队在最近发表在《环境科学与技术》上的一项研究中调查了以下问题：可生物降解塑料降解的速度有多快？涉及哪些微生物？他们如何互动？哪些条件促进降解过程？哪一种抑制它？“我们还想知道气候变化导致的温度和降水水平的变化如何影响塑料的降解性，”Witoon Purahong博士解释说，他也是UFZ的土壤生态学家，也是该研究的主要作者。

为此，在Bad Lauchstädt的全球变化实验设施（GCEF）进行了实验，该设施目前被认为是世界上面积最大的室外气候实验之一。研究人员调查了气候变化对土地利用和生态系统的影响。重点是用于覆盖土壤的地膜和园艺薄膜。它们通常由聚乙烯（PE）制成，聚乙烯是一种由化石原料制成的塑料。由于技术原因，薄膜的残留物通常留在土壤中。这导致中期内受到微塑料的污染。因此，改用可生物降解的替代品在这里意义重大。但使用这些替代品会有副作用吗？

为了找出答案，研究小组调查了聚丁二酸己二酸二丁烯酯（PBSA），一种部分由植物（玉米、甘蔗、木薯）制成的生物基地膜，在农田的自然条件下是如何生物降解的。研究人员区分了今天的气候条件和预测的2070年左右德国的模拟气候条件。他们使用现代分子生物学方法（下一代测序）来确定哪些微生物群落在塑料本身以及周围土壤中定居。

Purahong说：“我们能够证明，在不到一年的时间里，大约30%的PBSA已经退化。这在德国目前盛行的气候条件下是相当多的。”。主要作用者是真菌，由多种细菌群落和其他几种微生物支持。这些微生物包括向真菌提供氮（在塑料中很少见）的细菌或利用有毒降解产物的细菌和古细菌Purahong补充道，在模拟未来气候条件下，塑料表面和周围正在形成一个智能降解和回收社区，即使降解率相似。气候的变化显然不会损害PBSA降解真菌。它们周围的微生物群落略有不同，但降解结果相似。“我们没想到会有这么好的消息。”

在《欧洲环境科学》上发表的另一项研究中，UFZ的研究人员在更严格的条件下检查了微生物群落。他们调查了当大量PBSA进入土壤时，群落如何变化，以及当施用高浓度氮肥时会发生什么。“大量的PBSA实际上使土壤中的微生物群落大不相同，”该研究的主要作者、博士生Benjawan Tanunchai说。随着土壤中PBSA含量增加6%，真菌物种多样性降低45%，古细菌物种多样性降低13%。另一方面，PBSA的高负荷以及该地区的施肥导致了茄镰刀菌的增殖，这是一种广泛存在的破坏植物的真菌。

因此，两项UFZ研究得出了一条好消息和一条不太好的消息：即使在未来气候条件下，土壤中的PBSA也可以相对快速有效地降解。然而，如果多溴二苯磺酸大量存在，且氮肥浓度较高，则多溴二苯磺酸的降解可能会对农业生产产生负面影响，因为微生物群落受到干扰，害虫数量增加。Buscot说：“当大量的塑料最终进入环境中时，即使它是一种可生物降解的塑料，也永远不会是好的。”。“最好的办法是完全避免使用塑料。然而，由于这是目前一个不现实的目标，我们至少应该在任何可能的地方都使用生物降解塑料，并尽可能提前了解其降解性能和后果。”