接种物-底物比率与微生物组对聚乳酸、聚乙烯和聚丙烯微塑料嗜热厌氧消化的影响研究

《Biodegradation》：Thermophilic anaerobic digestion of polylactic acid, polyethylene and polypropylene microplastics: effect of inoculum-substrate ratio and microbiome

本研究针对聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚乳酸(PLA)微塑料的环境累积问题，系统探讨了不同接种物-底物比率(ISR)在嗜热(55°C)和嗜温(37°C)条件下对厌氧消化(AD)效率的影响。结果表明，嗜热AD在ISR4时对PLA降解效果最佳，累计产气量达894.08 NmL/gVSadded，且挥发性脂肪酸(VFA)利用率达89.62%。然而，PP和PE的降解效率低下并伴随VFA积累。微生物组分析揭示了PLA降解过程中富集的关键菌群（如Firmicutes、Synergistota）及氢营养型产甲烷途径。该研究为PLA的嗜热AD优化提供了理论依据。

　　

随着塑料制品在全球范围内的广泛使用，塑料废弃物已成为严峻的环境挑战。据统计，2024年全球塑料废弃物产量已达2.2亿吨，预计到2060年将激增至10.14亿吨。这些塑料废弃物在自然环境中经过风化、破碎形成微塑料（尺寸为5 mm至0.1 μm），对生态系统和人类健康构成严重威胁。由于塑料的高分子量、疏水性以及缺乏易降解官能团等特性，使其在自然环境中难以降解，尤其是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等石油基塑料，以及虽被称为生物可降解塑料但实际降解条件苛刻的聚乳酸（PLA）。因此，开发高效、可行的塑料废弃物末端处理技术迫在眉睫。厌氧消化（AD）作为一种能够控制温度、pH、湿度等参数的技术，被认为是有潜力的塑料降解途径，特别是嗜热条件（55°C）被证明比嗜温条件（37°C）更有利于某些塑料的降解。本研究旨在系统评估嗜热和嗜温厌氧消化对PE、PP和PLA微塑料的降解效能，并深入解析其背后的微生物机制。相关研究成果发表在《Biodegradation》期刊上。

本研究主要采用了批次厌氧消化实验方法，通过设置不同的接种物-底物比率（ISR为2、4和6），在严格控制温度（37°C和55°C）和厌氧条件下，对PLA、PP和PE微塑料进行长达148至161天的降解实验。定期监测生物沼气产量和组分（使用气相色谱仪分析），并分析消化液中的挥发性脂肪酸（VFA）、氨氮等化学指标。此外，利用16S rRNA基因扩增子测序技术对消化结束后的微生物群落结构进行解析，并采用PICRUSt工具对微生物功能潜能进行预测。

材料与方法

研究选用PLA、PP和PE三种塑料作为底物，将其粉碎至特定粒径范围。接种物来源于处理污泥的全规模沼气厂消化液，并经过预培养以适应不同温度条件。实验在血清瓶中进行，通过调节接种物与底物的比例（以挥发性固体VS计）来研究ISR的影响。

结果与讨论

沼气生产

在嗜温AD条件下，PLA的降解效率极低，启动迟缓，且PP和PE的存在对消化过程产生了明显的抑制效应。相比之下，嗜热AD显著促进了PLA的降解，在ISR4时获得最大累积沼气产量（894.08 NmL/gVS_added），而PP和PE的沼气产量则微乎其微。动力学模型分析表明，PLA在嗜热AD下的滞后期显著缩短。

挥发性脂肪酸与氨氮

嗜热AD过程中，PLA降解体系表现出高效的VFA利用（最高利用率达89.62%），而PP和PE体系则出现了VFA的累积，尤其是丙酸的积累，这可能是导致其消化效率低下的原因之一。氨氮浓度在所有处理中均维持在较高水平，但未达到一般认为的抑制阈值。

微生物群落与多样性

微生物群落分析显示，在降解效果最好的ISR4 PLA样品中，微生物多样性最高。在门水平上，Firmicutes和Proteobacteria为优势菌门；在属水平上，D8A-2、Thermovirga、Candidatus Caldatribacterium等与水解和酸发酵相关的细菌在PLA降解体系中显著富集。古菌群落则以氢营养型甲烷菌Methanothermobacter为主，表明氢营养型产甲烷是主要的甲烷生成途径。

代谢功能预测

功能预测分析揭示了不同样品间代谢通路的差异。在PP和PE降解体系中，与活性氧（ROS）解毒相关的PWY-3781通路丰度较高，提示微塑料可能引起了氧化应激反应。而在PLA降解体系中，则富集了与乳酸代谢等相关的通路。

结论

本研究证实了嗜热厌氧消化是一种具有潜力的聚乳酸（PLA）微塑料末端处理技术，其在适宜的接种物-底物比率（ISR4）下能实现有效的降解和能源回收。然而，该方法对于聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）的降解效果不佳，且其在嗜温条件下甚至会抑制厌氧消化过程。微生物学分析阐明了PLA高效降解背后的关键菌群及代谢特征。该研究为发展针对可生物降解塑料的定向厌氧消化技术提供了重要的理论和实践依据，未来研究可侧重于通过预处理等方式进一步缩短PLA的降解周期。