厌氧共消化系统中微塑料的赋存特征与多途径溯源：从方法创新到污染调控策略

本推荐综述系统解析了食物垃圾与奶牛粪厌氧共消化（AD）系统中微塑料（MP）的污染特征与迁移机制。研究创新性地开发了基于过氧化物氧化与EDTA–Triton X-100溶液的高效提取方法（回收率>96%），首次量化揭示了消化物（digestate）、贮存 lagoon 和粪便中MP的动态分布（120->3,300 MP kg?1），证实聚乙烯 terephthalate（PET）纤维为优势污染物，强调管理决策对MP污染的调控作用，为评估AD系统向农业土壤释放MP的生态风险提供了关键数据支撑。

　　

引言：食物垃圾资源化处理中的微塑料挑战

全球食物系统正面临严峻的食物浪费挑战，约30–40%的食品在生产后未被消费。在美国，这些被浪费的食物大多最终进入垃圾填埋场，导致温室气体排放和气候变化影响。为减少食物浪费的影响，近年来的政策和研究努力集中于替代技术，如厌氧消化（AD），以将废物从垃圾填埋场转移，同时回收废弃食物中的能量、碳和营养物质。

尽管AD作为食物垃圾解决方案前景广阔，但该技术采用率的增加可能导致食物系统中新的塑料污染风险。AD原料可能包括来自商业、机构和工业来源的源头分离食物垃圾，这些原料可能含有源自上游塑料包装、容器、农产品贴纸和餐具的塑料污染物。现有的污染物控制方法，如人工拣选和机械筛选及拆包，对完全去除塑料的效果有限。因此，受污染的食物垃圾原料可能成为塑料碎片进入环境的载体，尤其是微塑料（MP），即任何一维尺寸小于5毫米的塑料颗粒。从AD释放的MP可能包括由较大塑料片破碎产生的次级颗粒，以及已存在于被处理食物中的初级和次级MP。

确保AD系统的可持续性需要主动评估和最小化与MP释放相关的环境和人类健康风险。例如，当液体消化物作为土壤改良剂施用于土地时，MP可能通过风、地表径流、土壤侵蚀和土壤生物的运动迁移。犁地和耕作等农业实践可能将MP驱入土壤更深处，导致积累和土壤特性改变。MP通常具有大表面积和高疏水性，有可能吸附重金属、抗生素和农药，并改变土壤中的养分水平。老化的MP，例如从消化器排出的MP，可能具有额外的表面异质性，增强污染物吸附，并可能表现出色素和添加剂向土壤的释放增加，通过径流对土壤生物和水道构成威胁。一旦MP污染农业土壤，颗粒可能积累在可食用植物部分，影响植物健康，并最终导致食品安全和人类健康风险。

显然，有必要更好地了解食物垃圾管理系统中MP释放的潜力。然而，目前很少有数据来描述MP的尺寸、聚合物类型或其他可能影响消化器和农业系统中塑料运输和归宿的物理和化学参数。此外，从有机基质（如消化物或粪便）中分离MP存在重大的分析挑战。消化物是有机物质和微生物生物质的异质混合物，这阻碍了MP的有效分离、识别和量化，特别是因为有机颗粒和MP通常具有相似的尺寸和密度。消化物本身可能因设施不同而异，取决于原料和消化器类型，进一步混淆过滤和提取方法。迄今为止，尚未开发出用于测量食物垃圾或消化物中MP的标准化方法。

现有针对高有机质样品的研究使用的提取方法包括有机材料消化、密度分离以及离心或筛分。例如，在为各种物种的粪便开发的方法中，Yan等人（2020）使用芬顿试剂[由过氧化氢和硫酸铁（II）组成]在40°C以下降解固体5小时，随后过滤到混合纤维素酯膜过滤器上，用硝酸处理以进一步去除非塑料有机材料，并在绝对乙醇中超声以去除MP表面的残留物。虽然该方法成功去除了顽固材料，但我们注意到将该方法应用于消化物和粪便样品可能存在许多潜在问题。芬顿试剂中的铁可能染色MP，阻碍了对颗粒颜色的准确评估，而这反过来可能妨碍追踪潜在来源的能力。虽然硝酸成功去除了残留材料，但最近的研究引起了对硝酸降解某些塑料的担忧，包括聚酰胺（PA6）、聚氨酯（PU）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜。消化后，通常使用荧光显微镜视觉识别MP，然后进行傅里叶变换红外（FTIR）和拉曼光谱分析。在分析MP丰度时，大多数研究以每重量计数为基础进行报告；很少有研究使用重量/重量或质量/体积基础。每重量计数方法（例如，MP kg^?1）越来越受青睐，因为它们将颗粒丰度归一化为样品的实际质量，这减少了由水分含量、密度或样品尺寸差异引起的变异性。方法上的变异性对相互比较构成了挑战，因为没有简单的方法在测量之间进行转换，并强调了改进方法和更大标准化的必要性，以充分理解AD系统MP污染的挑战。

因此，本研究旨在（1）开发并验证从AD系统中分离和表征MP的方法，以及（2）首次对厌氧食物垃圾和奶牛粪共消化系统中的MP丰度进行为期一年的系统评估。对存在于消化物和粪便流中的MP进行量化和表征将有助于确定向下游释放到农业土壤和水生生态系统的风险。这些在方法开发和数据生成方面的贡献对于主动评估食物垃圾管理系统中MP的风险以及更广泛地研究复杂基质中MP的释放将具有价值。

方法：从采样到鉴定的全流程创新

设施描述与采样策略

消化物和粪便取自纽约州的一个厌氧共消化设施，该设施与一个拥有2000头奶牛的奶牛场共存。消化器是一个连续搅拌釜反应器，在嗜温温度范围（35°C–39°C）内运行。根据提供的设施记录，2023年，原料大约48%为粪便，52%为来自乳制品和加工废物、脂肪、油和油脂（FOG）以及其他材料的食物垃圾。不接受消费后或家庭废物。在研究期间，食物垃圾的比例存在显著变异性（5–67%），这与旨在维持消化器稳定性的管理决策有关。食物垃圾没有预处理步骤，但粪便在消化前通过螺旋压榨分离，固体部分移除供农场使用，液体部分储存在现场的粪便坑中。食物垃圾和粪便的联合日加载率约为24万升，平均保留时间为29±7天，导致每月大约产生757万升消化物。消化物被转移到未覆盖的泻湖中，在那里与来自粪便坑的过量原粪混合，并储存直到施用于农田。池塘中的保留时间高度可变，取决于季节性和田间容量。

三种类型的样品在2023年1月至11月每隔一个月以三重重复收集：（1）从消化器出口的消化物（“Digester”），（2）在田间施用前储存在贮存泻湖中的消化物和过量新鲜粪便的混合物（“Lagoon”），以及（3）来自储存坑的新鲜粪便（“Manure”）。所有采样材料和储存容器在使用前都用无MP水三重冲洗。在每个采样点，使用9升金属桶收集大约8升材料。使用金属勺将大约250毫升转移到3个玻璃梅森罐中的每一个。每个月，还收集一个控制空白，通过在采样地点附近打开一个梅森罐，模仿采样过程在罐上方进行，然后现场密封并返回实验室，使用与样品相同的程序进行处理。样品和空白在分析前保持在4°C。

微塑料提取方法的优化与验证

将样品摇动30秒以均质化，并将30毫升子样品添加到清洁的、用无MP水冲洗过的锥形瓶中。我们遵循Yang等人（2022）的方法，但有一些显著例外。为了完全氧化样品而不出现芬顿试剂对颗粒的 problematic 染色，我们仅使用30%过氧化氢（J. T. Baker，电子工业级），但延长了反应时间以更完全地去除顽固材料。向锥形瓶中加入100毫升30%过氧化氢，并将该混合物置于冰浴中以避免初始反应（1–2小时）期间潜在的泡沫溢出。然后将锥形瓶移至40°C水浴中，消化在接下来的5–7天内进行，每天向锥形瓶中加入额外的过氧化氢等分试样。在5–7天周期结束时，如果摇晃锥形瓶时没有可见气泡，则反应完成。然后使用无MP去离子水将锥形瓶的内容物通过25μm不锈钢网筛过滤。

我们评估了硝酸对MP的影响，在分析前在沸腾硝酸中处理2小时。我们重复了Schrank等人（2022）对原始PET碎片和纤维的分析，但将孵育温度从沸腾降低到40°C。2小时后，我们对两种PET形态的回收率均为100%，但碎片失去了蓝色。24小时后，回收率为94%，但碎片和纤维都失去了所有颜色，并且当用镊子戳刺时，PET碎片开始破裂。48小时后，回收率为56%，碎片和纤维在戳刺时都容易破裂。由于这些潜在的颜色损失和降解，我们完全取消了硝酸步骤。

然而，取消硝酸步骤导致在湿式过氧化物氧化后过滤器上形成丰富的白色粉末，阻碍了MP的准确检测。通过能量色散X射线荧光（ED-XRF）鉴定该残留物质按重量计97%为钙，傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实最接近的匹配是硬脂酸钙。硬脂酸钙是添加到动物饲料中的常见抗结块剂。硬脂酸钙在高pH值下，在螯合剂和两性表面活性剂存在下溶解度最高。过氧化物氧化后，保留在筛网上的固体转移到装有100毫升0.1 M EDTA（Sigma Aldrich，ACS试剂级）/Triton X-100（Sigma Aldrich，分析级）的清洁烧杯中，使用氢氧化钠（Sigma Aldrich，试剂级）调节pH至约9。将烧杯充分搅拌并在热水浴中静置过夜，成功去除了剩余的钙材料。最后，将溶液真空过滤到8μm带网格的混合纤维素酯（MCE）过滤器（Tisch Scientific）上，随后将过滤器转移到三重冲洗的培养皿中，使用双面胶带粘住，并覆盖晾干。

微塑料表征与质量控制

为了识别和表征消化物样品中潜在的MP，在AmScope立体显微镜下检查过滤器，该显微镜配备ZM-4光学元件和20 MP CMOS背照式相机（MU2003-BI），并使用Motic Images软件捕获潜在MP的图像。记录每个潜在MP在过滤器上的位置、形态（球体、薄膜、泡沫、碎片和纤维）和颜色。还在黑光灯下检查过滤器以更好地观察透明塑料，因为它们暴露时倾向于荧光或反射蓝光。

光学分析完成后，从每个样品的每个颗粒组（例如黑色纤维）中随机选择20%的子集，通过FTIR显微镜（Shimadzu AIM-9000 IR显微镜）进行聚合物识别。任何独特的颗粒也被选择进行分析。然后将选定的颗粒一个一个地转移到涂有铝箔胶带的玻璃显微镜载玻片上，该载玻片有一层Skin-tac粘合剂以将颗粒固定在载玻片上，并使用标记笔进行标记。将载玻片放入培养皿中晾干。

使用Shimadzu AIM-9000红外显微镜确认可疑颗粒的聚合物类型。显微镜的光学模式设置为反射，在4,000至700 cm^?1范围内以32次扫描测量吸光度。为了从样品扫描中确认聚合物类型，我们创建了一个包含30多种标准品的光谱库，包括塑料（PET、PP、PE、PU、聚氯乙烯[PVC]等）和天然存在的非塑料材料（棉花、草、牛毛、沙子等）。收集这些标准品的光谱时均使用和不使用Skin-tac粘合剂，以解释粘合剂可能产生的任何干扰。我们将匹配分数超过700视为阳性ID，然后通过叠加样品和标准光谱进行视觉检查来证实。对于每种类型的颗粒，基于该组中确认为塑料的颗粒比例应用校正因子。然后使用液体消化物的体积密度1,430 kg m³将该值转换为颗粒 kg^?1 湿重。

我们遵循了许多标准质量控制措施来防止或解释污染。所有使用的设备，包括筛网、烧杯、量筒和反应瓶，首先用肥皂水清洗，然后用无MP水三重冲洗。无MP水通过将内部反渗透水通过孔径为8μm的MCE过滤器制备而成。不使用时，所有设备都用铝箔覆盖以防止污染。处理样品时穿着染成粉红色的棉质实验服，以覆盖个人衣物，并能在显微镜下轻松识别粉色纤维。每个月在野外收集的一个控制空白也通过提取方案运行，方法是将无MP水添加到罐中，然后使其通过所有后续提取和分析步骤。这作为一个组合的现场和实验室空白。空白中潜在的塑料颗粒以与消化物样品相同的方式进行评估。空白结果总结在补充表S2中。MP的平均丰度为每空白0.2±0.4 HDPE碎片，0.2±0.4 PET碎片和0.5±0.5 PET纤维。由于空白中发现的MP数量较少，未对样品进行空白校正。

我们通过向30毫升消化物样品中添加25个原始PET、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）碎片以及25个PET纤维来评估该最终方法的回收率。这些加标样品经过完整的消化过程，并在最终过滤器上计数。PET纤维、PET碎片和PS碎片的回收率为100%，PP碎片的回收率为96%。颗粒的颜色保持不变。FTIR分析通过检查光谱的羰基区域1,800–1,670 cm^?1来寻找氧化迹象，证实该过程对颗粒没有降解。由于在EDTA/Triton X-100处理后过滤器极其干净，消除了在乙醇中超声的需要，使得MP在更少的步骤中易于识别。

使用JMP 15.0 Pro软件完成统计数据分析。在分析之前，评估所有数据的正态性和方差齐性以满足方差分析（ANOVA）的假设。为了检验不同来源间MP丰度随时间的变化，我们运行了双向ANOVA，以月份、样品来源及其交互项作为固定因子。当发现显著效应（p < 0.05）时，使用Tukey’s HSD事后分析来识别显著差异。使用非度量多维标度（NMDS）分析来评估六个月内聚合物形态和组成的变异性。NMDS基于Bray-Curtis相异性来量化样品之间的差异。NMDS的结果在二维排序图中可视化，其中每个点代表一个样品的聚合物或形态概况。

结果：丰度动态与聚合物特征

微塑料的时空分布规律

在所有粪便重复样品中除一个外均检测到MP，且浓度在不同来源和月份间差异很大。月份（F_5,36 = 10.6; p < 0.0001）、地点（F_2,36 = 47.2; p < 0.0001）及其交互作用（F_10,36 = 6.3; p < 0.0001）的影响均高度显著，基于成对比较（Tukey’s HSD）显示出复杂的显著性模式。全年中，粪便中的MP浓度相对稳定，平均为120±39颗粒 kg^?1 湿重。然而，该平均值不包括一月份发现的极端值1,587±66颗粒 kg^?1。消化器中的颗粒数量平均为723±84颗粒 kg^?1，范围从三月份的255±37颗粒 kg^?1到一月份的985±46颗粒 kg^?1。泻湖MP值变化最大，一月份（1,542±102颗粒 kg^?1）和三月份（3,376±354颗粒 kg^?1）值较高，五月份值较低（474±166 kg^?1）。不同地点间的相对模式随时间显著变化。一月份，粪便和泻湖浓度相似且高于消化器。三月份，异常高的泻湖值远高于粪便和消化器。五月份，所有地点在统计上相似；此后消化器和泻湖浓度相似，且总是高于粪便。显著的交互作用项是由一月份和三月份明显的异常值驱动的，这些异常值与消化器管理的变化同时发生。

形态与聚合物组成的稳定性

纤维是所有样品中的主要形态，主要是PET。PET占所有样品中聚合物的60%以上。其次是PE和PU薄膜，然后是各种聚合物的碎片，包括PE、PET、PP和PVC。发现了数量较少的PP和丙烯酸纤维、PS泡沫以及PE球体。NMDS说明了消化器和泻湖样品之间的形态相似性，如其紧密聚类和相对于更易变的粪便而言椭圆的显著重叠所示。在聚合物NMDS中，椭圆的强聚类和重叠展示了所有地点间的聚合物相似性，这可能是由所有样品中PET的持续优势驱动的。

讨论：方法学突破与管理启示

厌氧消化分析方法的创新与发展

用于评估复杂水系统（如有机废物废水）中MP的一致方法对于主动评估和减轻MP释放及生态影响的风险至关重要。为了准确表征与厌氧消化相关的有机材料中的MP颗粒，我们开发了一种新方法，以高效可靠地从样品基质中分离MP。我们调整了先前的方法，取消了对硝酸和芬顿试剂的需求，并能够使用高pH螯合剂和表面活性剂（EDTA/Triton X-100）成功去除残留的硬脂酸钙。这种简化的方法以更少的步骤实现了完整的MP提取，回收率>96%，且几乎没有实验室引起的污染。未来有必要进行研究以明确界定该程序在消化物和其他高有机质基质中的定量限。我们相信这些方法将易于适应其他高有机质农业材料，特别是那些源自共消化的材料，因为奶牛粪的钙含量可能特别高。

消化物与粪便中微塑料含量的变异性溯源

据报道，食物垃圾衍生消化物中的MP值范围从75到3,298颗粒 kg^?1。然而，直接比较因AD原料、操作变量的差异以及缺乏报告MP值的标准化方法而变得复杂。先前的研究也侧重于更大的尺寸分数（>1毫米）。先前报道的奶牛粪便中的MP丰度为74±129颗粒 kg^?1，这与我们120±39颗粒 kg^?1的月平均值相似。据我们所知，这是首次对AD过程中其他环境相关阶段（尤其是贮存泻湖）的MP丰度做出贡献的研究，限制了我们将结果与文献进行比较的能力，但强调了这些数据的重要性，因为泻湖是田间撒播和潜在向环境排放MP之前的最后阶段。当消化物施用于农田时，潜在的MP释放可能很显著，大约为每公顷2000万MP颗粒。这个非常粗略的估计考虑了消化物的平均MP含量（726颗粒 kg^?1 湿重）乘以典型的消化物田间施用率20立方米 ha^?1。施用后MP的最终归宿包括更深地融入土壤、被植物吸收，或通过风和水运输到邻近的生态系统。虽然实际施用率各不相同，且其归宿和影响需要进一步研究，但这一阶近似值突显了更好地理解与废弃食物增值相关的MP来源和影响的必要性。

食物垃圾原料的变异性似乎对消化物的MP含量有主要影响，类似地，消化器管理的改变可能导致污染水平的变化。例如，在2023年2月中旬，消化器经历了一次泡沫溢出事件，同时伴有低pH值，这归因于进入消化器的食物垃圾类型的变化。作为回应，设施管理人员将原料中的粪便比例从1月份的33%分别增加到2月份和3月份的大约78%和95%。结果，三月份消化器输出的MP浓度更接近粪便输入的MP浓度。在恢复更典型的原料比例（大约39%粪便）后，消化物MP含量恢复到更高且更一致的水平。这个意外的“实验”表明，大多数MP可归因于食物垃圾，而不是粪便。在一月份的粪便和泻湖地点以及三月份的泻湖中观察到了其他异常高的值。我们怀疑季节性可能起作用，一月份较低的温度改变了储存材料的密度，导致MP漂浮到表面。三月份，从泻湖获得的样品包含了大量在消化器不稳定期间释放的泡沫。需要进一步的工作来评估储存中MP的垂直变化，以及更详细的时间评估与原料组成相关联，以得出关于管理决策如何影响MP丰度的结论。

微塑料潜在来源的多途径解析

本研究中发现的MP可能源自广泛的来源，包括与原料相关的初级MP、运往设施的大宗材料的包装、农场来源、大气沉降，以及消化过程中较大塑料的破碎。例如，已在许多食品中发现MP，这些食品可能进入AD系统。其他污染可能发生在预处理期间；用大型塑料油布、箱子或其他容器运抵的材料可能被切开并引入消化器。虽然该设施未使用机械拆包机，但已证明使用此类系统会增加MP污染。此外，该设施的农业实践可能有助于在粪便中观察到的MP。例如，我们在所有样品中都观察到PET纤维，尽管在原粪中水平低得多，这表明农场来源对总MP负荷有贡献。然而，与奶牛场运营相关的大部分塑料预计是用于青贮储存的HDPE薄膜和用于谷物和饲料运输和储存的PP编织织物，这两者在我们的样品中均未观察到显著水平。

虽然PET的高丰度可能源自许多来源，但原料的食物垃圾部分是一个合理的来源。虽然确切的产物难以追踪，因为塑料会降解和破碎，但PET是包装行业最常用的塑料之一。包装行业是塑料的最大用户，全球36%的塑料生产用于包装。PET是该行业使用的主要材料，很可能PET会从许多地方进入食物垃圾流，并进入消化器。此外，PET已在许多使用食物垃圾作为原料来源的消化器和共消化器中被识别出来。

研究局限与未来方向

在我们的样品中明确追踪MP到特定来源的不确定性和局限性源于在一家私人设施进行研究的固有挑战，该设施对原料来源、接收和处理程序以及农场运营的详细信息访问有限。为了解决这种不确定性并确定初级MP的最大来源，需要对整个废弃食物和厌氧消化生命周期进行详细分析。由于不同设施处理、加工和处理食物垃圾的方式存在显著差异，需要在不同地区、更长时间周期、可变原料以及在不同消化器和消化物储存条件下运行的其他AD站点进行额外的样品收集和分析。随着新数据和MP表征方法的出现，我们将能够开发一个通用框架，用于理解AD和其他食物垃圾管理系统中塑料的来源、行为和归宿。

厌氧消化与消化物的有益利用被吹捧为不可避免的食物垃圾的首选解决方案，但在实践中，可持续性结果取决于我们最小化和管理MP释放的能力。例如，厌氧共消化系统作为一个间接反馈循环运作，其中引入食物垃圾原料驱动了对额外粪便作为共消化底物的需求，这反过来又增加了进入消化器的总体液体体积，导致产生更多的消化物。虽然该过程能有效管理大量有机废物，但它无意中导致了消化物产品中污染物的积累。减少来自末端MP释放的风险将需要在AD站点采取有效的污染最小化策略，并在食物供应链上游部署系统性解决方案，包括减少丢弃的食物量，以及通过改进源头分离技术、工人培训和使用塑料替代品进行食品包装和运输来减少进入废物流的塑料。虽然AD为废物管理和能源生产提供了可持续的解决方案，但必须通过食物系统所有阶段的全面战略来充分解决和控制塑料污染的来源和途径。