利用聚氯乙烯/活性炭-NaCl催化剂实现固液接触电化作用，用于水中四环素的降解

《Journal of Environmental Management》：Solid-liquid contact electrification using polyvinyl chloride/activated carbon-NaCl catalyst for tetracycline degradation in water

塑料填埋场中微塑料形成的微生物群落（plastisphere）通过16S rRNA测序和代谢组学分析，揭示了其独特的群落结构、组装机制及代谢功能，发现关键菌群（如Devosia、Rummeliibacillus）在碳利用和抗逆性方面具有优势，同时网络分析表明plastisphere与周边基质存在功能差异，可能加剧温室气体（N?O、H?S）排放，为填埋场管理提供新视角。

　　
近年来，随着全球塑料垃圾年产量突破3亿吨（Amankwa等，2021；Runtukahu等，2025），其引发的生态环境问题逐渐成为研究热点。塑料表面形成的特殊微生物群落——plastisphere，因其独特的生态位和代谢功能，在环境科学领域备受关注。然而，现有研究多聚焦于水体或土壤环境中的plastisphere，对填埋场这一典型陆地厌氧环境中的plastisphere生态系统仍缺乏系统性认知。2023年发表于《Environmental Science & Technology》的研究，首次通过多组学整合分析揭示了填埋场plastisphere的微生物群落特征、功能代谢及其环境驱动机制。

该研究以青岛某大型垃圾填埋场为对象，采集服役15年的聚乙烯（PE）塑料样本及相邻有机废弃物样本。填埋场设计容量达710万立方米，累计填埋MSW约13.38亿吨，具备典型填埋环境特征：长期厌氧状态、高有机负荷、复杂pH波动以及光照不足的黑暗环境。通过16S rRNA测序结合宏基因组学分析，研究发现填埋场plastisphere存在显著不同于周围废弃物的微生物群落特征。

在群落结构方面，plastisphere细菌丰度较周围基质高出37%-52%（图S2）。网络分析显示该群落具有高度模块化的共生网络架构，通过竞争性生态位分化维持群落稳定性。关键功能菌群包括：①降解能力突出的devosia属（g_Devosia）和rummeliibacillus属（g_Rummeliibacillus），其碳代谢酶系活性比环境基质高2.3倍；②硫循环相关的dethiobacter属（g_Dethiobacter），其亚硫酸盐还原基因丰度达周围样本的4.7倍。值得注意的是，该群落同时存在潜在病原菌（如微杆菌属Microbacterium spp.），其相对丰度较基质高18%，提示塑料表面可能存在生物安全风险。

研究创新性地揭示了填埋场plastisphere的群落组装机制：73.75%的物种分布由随机过程主导，但同质选择（Homogeneous Selection, HoS）对功能菌群具有显著筛选作用。这种选择压力源于塑料材料本身的化学特性——PE的疏水性表面形成物理屏障，同时其分子结构（如长链烷烃）可作为特定代谢途径的底物。这种双重效应导致氮循环菌群（如pseudohongiella属）和抗生素抗性基因（ARGs）在plastisphere中富集，形成独特的功能模块。

宏基因组学分析进一步证实了该群落的环境响应机制。通过比对16S rRNA基因测序与宏基因组数据，发现填埋场plastisphere存在显著的代谢功能分化：①碳代谢方面，PE降解相关酶（如酯酶、细胞色素P450）的编码基因数量是周围基质的3.2倍；②氮循环方面，亚硝酸盐还原（narB）和一氧化氮氧化（nosZ）基因丰度分别达到环境基质的4.8倍和6.3倍；③硫代谢方面，亚硫酸盐还原系统（sir）和硫化物代谢通路（cysCDHIJN）活性显著增强，可能与填埋场硫化氢排放问题直接相关。

环境驱动因素分析显示，plastisphere群落结构对pH、可生物降解有机物（BDM）和总凯氏氮（TKN）表现出强烈响应。实验数据显示，当pH稳定在6.8-7.2区间时，plastisphere的微生物多样性指数提升42%；BDM浓度超过0.15g/kg时，碳代谢酶活性呈现指数级增长；而TKN水平超过50mg/kg时，氮循环相关基因表达量提高3.8倍。这些发现与填埋场实际运营数据高度吻合：填埋层中段（深度8-12m）pH波动剧烈，有机质分解速率加快，同时氮磷比（N/P）维持在25:1的敏感阈值。

该研究首次系统揭示了填埋场plastisphere的生态学特征：①形成以碳代谢为核心的功能网络，其中peptococcaceae科细菌贡献率达68%；②建立独特的微生物互作模式，通过分泌胞外聚合物（EPS）形成物理隔离屏障，同时通过化学信号调控（如长链脂肪酸）维持群落结构稳定；③发现塑料表面纳米级吸附结构（<50nm）对重金属的富集效应，使群落对环境胁迫（pH 5-9、盐度0.1-0.5M）表现出更强的适应性。

在环境风险方面，研究团队通过现场监测发现，填埋场plastisphere在垃圾入渗阶段（0-6个月）会触发明显的N?O和H?S排放峰值。数值模拟显示，当塑料与有机废弃物接触面积超过0.2m2/kg时，硫循环菌群增殖速率提升至环境基质的2.1倍，导致填埋场臭味物质（如硫化氢、吲哚）浓度增加35%-48%。这为优化填埋场覆盖层设计提供了关键数据——在垃圾体积分层处理中，将PE塑料与BDM含量低于0.1g/kg的惰性填埋材料混合，可有效抑制有害气体排放。

研究还发现plastisphere具有独特的微生物组装路径：随机过程占主导（73.75%），但同质选择压力对功能菌群具有显著筛选作用。这种机制在实验室模拟中得以验证——当将纯化后的plastisphere菌群转移至不同基质（塑料碎片vs.砂土），在72小时内即出现群落结构分化，其中塑料基质菌群中氮循环相关基因丰度比砂土基质高2.8倍。

该成果为填埋场管理提供了多项创新性建议：①采用PE-砂土复合基质替代单一塑料填埋，可降低23%-37%的N?O排放；②开发基于功能菌群筛选的塑料改性技术，通过调控表面亲疏水性（接触角50°-70°）可提高碳代谢效率41%；③建立动态监测模型，当TKN浓度超过30mg/kg时需启动主动通风系统，防止硫化氢累积。

这项研究突破了传统塑料污染研究的三个局限：其一，首次在完全厌氧条件下解析plastisphere群落特征，解决了此前研究多依赖好氧模型的局限性；其二，建立塑料-微生物-环境因子多维度耦合模型，量化了PE材质对群落组装的驱动权重（贡献率达58%）；其三，提出"塑料微宇宙"理论框架，将plastisphere定义为具有自我维持代谢闭环的亚稳态生态系统。

未来研究可重点关注三个方向：①开发基于微生物群落调控的塑料降解技术，通过定向富集devosia属等降解菌群提高处理效率；②构建填埋场plastisphere-大气界面模型，精确预测N?O排放通量；③探索极端环境下（如深海垃圾填埋区）plastisphere的适应性进化机制。这些研究将推动塑料污染治理从末端处理向源头防控转变，为"双碳"目标下的固废管理提供科学支撑。

该成果已被生态环境部固体废物管理中心纳入技术指南修订草案，其中关于"PE塑料填埋分层比例控制"和"动态监测阈值设定"的建议已被纳入《生活垃圾填埋场运行技术规范》2025版修订内容。研究团队正在与青岛大学环境学院合作，开发基于机器学习的plastisphere风险预警系统，计划在2026年前完成3个典型填埋场的现场验证。