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『最新研究』生物基塑料在土壤中的降解,微生物群落对抗气候变化

已有 1612 次阅读 2021-10-14 20:35 |个人分类:生物基|系统分类:科普集锦

开发利用可生物降解塑料的想法起初听起来很不错。然而,人们对它们如何在土壤中降解以及如何受到气候变化的影响知之甚少。比如使用可降解地膜以后的土壤肥力和微生物种群是否会发生剧烈变化,对后续的农业生产会造成影响吗?在最近发表的两项研究中,德国亥姆霍兹环境研究中心 (UFZ) 的土壤生态学家解密了哪些微生物群落导致塑料降解、气候因素在降解中扮演什么角色,为什么说可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(尤其是微塑料)会伤害生活在那里的生物,并导致生态系统受到长期严重的破坏,因此,可生物降解塑料的开发和使用更多是以生态经济为重点。UFZ 土壤生态学家 François Buscot 教授说:“尽管可生物降解塑料具有正面的形象,但我们对它们在土壤中的作用或降解方式仍然知之甚少。”


为了进一步阐明这一点,Buscot教授的研究团队在近期发表在《环境科学与技术》上的一项研究中调查了以下问题:可生物降解塑料的降解速度有多快?涉及哪些微生物?他们如何协同?哪些条件会加速降解过程?哪些会抑制它?气候变化导致的温度和降水量变化如何影响塑料的降解性。


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户外气候实验之一。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覆盖物和园艺薄膜,它们通常由聚乙烯 (PE) 制成,这是一种由化石原料制成的塑料。由于技术原因,薄膜的残留物经常留在土壤中,这会导致在中期被微塑料污染。因此,改用可生物降解的替代品在这里很有意义,但是使用这些替代品是否有副作用还有待进一步探讨。


为了找出答案,该团队研究了聚丁二酸-己二酸丁二醇酯 (PBSA),这是一种部分由植物(玉米、甘蔗、木薯)制成的生物基地膜,如何在农田里的自然条件下进行生物降解。研究人员区分了今天的气候条件和德国在 2070 年左右预测的模拟气候条件。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存在塑料本身以及周围的土壤中。

                     

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GCEF 试验地(常规耕作),PBSA 样品放置在图片中间

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常规农业(未来气候)地块中经过240天降解PBSA膜


研究结果证明,在不到一年的时间里,大约 30% 的 PBSA 已经降解。在德国目前的气候条件下,这个降解量是相当多的。主要参与者是真菌,它们由多样化的细菌群落和其他几种微生物支持。这些包括为真菌提供氮的细菌(在塑料中很少见)或利用有毒降解产物的细菌和古细菌。一个智能的降解和回收群落正在塑料上和周围形成——即使在模拟的未来气候条件下具有相似的降解率,气候的变化显然不会伤害降解 PBSA 的真菌。它们周围的微生物群落略有不同——但降解结果是相似的。


在《欧洲环境科学》上发表的另一项研究中,UFZ 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完全不同”,该研究的主要作者解释。随着土壤中 PBSA 的增加 6%,真菌物种的多样性减少了 45%,古细菌的多样性减少了 13%。另一方面,高负荷的 PBSA 加上该地区的施肥导致了枯萎病菌(一种广泛存在的植物破坏性真菌)的增殖。


因此,两项 UFZ 研究产生了一个好消息和一个不太好的消息:土壤中的 PBSA 可以相对快速有效地降解——即使在未来的气候条件下也是如此然而如果 PBSA 与高浓度含氮肥料一起大量存在,由于微生物群落受到干扰和害虫增加,PBSA 降解会对农业生产产生负面影响。


“当大量塑料最终进入土壤环境时,它永远不会变得更好——即使它是一种可生物降解的塑料,对土壤依然会产生影响”,Buscot教授解释 说。“最好的办法是完全避免使用塑料,当然这在目前是一个不切实际的目标。我们至少应该在任何依赖可生物降解塑料的地方,尽可能多地提前了解它们的降解特性和后果。”


论文情况

Tanunchai, B., Juncheed, K., Wahdan, S.F.M. et al. Analysis of microbial populations in plastic-soil systems after exposure to high poly(butylene succinate-co-adipate) load using high-resolution molecular technique. Environ Sci Eur 33, 105 (2021). https://doi.org/10.1186/s12302-021-00528-5


主要内容来自搜集编译,仅供参考。





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