研究背景：

塑料材料被广泛应用于农业领域，以实现世界人口不断增长的粮食安全。在一次性农业应用中使用可生物降解的聚合物代替不可生物降解的聚合物，包括塑料覆盖，有望减少塑料在环境中的积累。聚（己二酸丁二醇酯-共对苯二甲酸酯）（PBAT）是一种在可生物降解地膜市场上具有重要意义的脂肪族-芳香族共聚酯。早期的研究主要基于确定PBAT质量损失及其理化特性的变化，为土壤中PBAT生物降解提供了间接指示。然而聚合物的生物降解需要微生物来代谢聚合物的所有有机成分，需要对聚（己二酸丁二醇酯-共对苯二甲酸酯）（PBAT）的每个步骤（如图1所示）进行检测。

研究内容：

本文提出了一种新的方法，可以将可生物降解聚合物中的碳追踪到CO2和微生物生物质中。使用13C标记聚合物，能够将聚合物衍生的CO2与土壤有机质矿化形成的CO2区分开来。孵育后，使用扫描电子显微镜 （SEM）对聚合物膜表面进行成像，并使用元素特异性、同位素选择性纳米级二次离子质谱法（NanoSIMS）证明聚合物衍生的13C掺入膜定殖微生物的生物质中。研究了三种PBAT变体，它们具有相似的物理化学特性和可比较的13C总含量，但在包含13C标记的单体中有所不同 [即丁二醇 (P*BAT)、己二酸酯 (PB*AT) 或对苯二甲酸酯 (PBA*T)]。通过使用这些变体跟踪所有PBAT构建基块的生物降解。

研究结果：

1、土壤中聚合物生物降解的关键步骤。微生物定植于聚合物表面并分泌使聚合物解聚的胞外酶。形成的低分子量水解产物被微生物吸收并用于生产能量，形成CO2，以及用于细胞结构和大分子的合成，导致聚合物衍生的碳结合到微生物生物质中。右边的方框描述了用来研究这些步骤的分析方法。

2、在为期6周的土壤培养期间，三种PBAT变体薄膜的矿化和表面定植。

3、土壤培养6周后对PBAT薄膜的NanoSIMS（纳米级二次离子质谱）分析。

研究结论：

本文提供了一种实验方法，用于研究土壤中聚合物的生物降解并评估该过程涉及的关键步骤：微生物聚合物定殖，聚合物表面的酶解聚以及微生物对释放的低分子量化合物的吸收和利用。实验结果明确地证明了聚（己二酸丁二醇酯-共对苯二甲酸酯）（PBAT），一种用于农业的重要聚酯，在土壤中的生物降解性。土壤微生物（包括丝状真菌）使用来自 PBAT 的每个单体单元的碳来获取能量并形成生物质。虽然基于NanoSIMS的方法能够明确地证明将聚酯碳掺入土壤微生物生物质中，但这不是一种高通量技术。替代方法包括从含有13C标记的聚合物的土壤中提取目标生物分子，然后对提取的分子中13C的含量进行定量，这将使我们能够分析更大量的样品集。

参考文献：

Biodegradation of synthetic polymers in soils: Tracking carbon into CO2 and microbial biomass, DOI: 10.1126/sciadv.aas9024.