高密度聚乙烯（HDPE）塑料与果蔬废弃物进行厌氧共消化：对部分生物降解过程及有机废弃物资源化利用的探讨

《Chemosphere》：Anaerobic co-digestion of HDPE plastics with fruit and vegetable waste: Insights into partial biodegradation and organic waste valorization

HDPE塑料与果蔬废料在两阶段厌氧共消化系统中表现出稳定运行能力，实现14.02%-17.7%的降解率，SEM和FTIR证实材料结构变化，Firmicutes、Bacteroidetes、Proteobacteria主导微生物群落，碳平衡分析揭示有机质转化机制。

　　HDPE，即高密度聚乙烯，是一种广泛使用的热塑性聚合物，因其耐用性、刚性和对冲击、化学物质及环境条件的抵抗力而受到青睐。它主要通过乙烯单体的聚合过程制造，原料多来源于石油或天然气。由于其高结晶性，HDPE在强度和刚度方面表现出色，这使其在多个领域如包装、建筑、汽车和农业中得到广泛应用。HDPE的易加工性和可塑性也促使其成为制造各种形状产品的理想材料。然而，这种材料的广泛应用也带来了显著的环境问题，尤其是在其废弃物处理方面。

全球范围内，HDPE的年产量已达到约4500万吨，这使得其废弃物管理成为亟需解决的挑战。目前，大多数HDPE废弃物通过填埋处理，而仅有一小部分被回收利用。由于HDPE具有极强的抗降解能力，其在自然环境中可存留数百年，对生态系统构成长期威胁。这种特性不仅增加了填埋场的负担，还导致HDPE在自然环境中广泛积累，成为塑料污染的重要来源之一。因此，探索有效的HDPE废弃物处理技术显得尤为迫切。

面对HDPE废弃物的处理难题，科学家们尝试了多种方法，包括机械回收、化学回收、焚烧、热解以及生物处理。机械回收通过熔融和重塑HDPE来制造新产品，但这种方法存在成本高、效率低以及回收材料质量不稳定等问题。化学回收则通过分解聚合物，将其还原为原始单体，从而实现材料的循环利用。然而，化学回收过程通常需要较高的能耗，并且可能产生有毒副产物。焚烧虽然能有效处理废弃物，但会释放大量温室气体和有害物质，对空气质量造成严重影响。热解虽然能产生有价值的化学品，但同样面临高能耗和不稳定的产物质量的问题。

相比之下，生物处理方法，尤其是厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD），被认为是一种更为环保、可持续的解决方案。厌氧消化利用微生物在无氧条件下分解有机废弃物，产生沼气（主要成分是甲烷）作为能源，同时减少废弃物的体积。然而，HDPE的抗降解特性使其在传统的厌氧消化系统中难以被有效分解。研究表明，在单阶段厌氧消化系统中，即使经过数月的处理，HDPE的降解程度依然有限。一些研究指出，在35°C的条件下，将HDPE与食物废弃物共消化35天，仅能减少甲烷产量的2-3%。而在某些情况下，如使用沉积物污泥作为接种物进行98天的处理，HDPE的降解仍不显著。

为了解决这一问题，研究人员开始探索多阶段厌氧共消化（Anaerobic Co-Digestion, ACOD）系统。该系统通过将消化过程分为两个阶段：第一阶段为水解，第二阶段为酸化和甲烷化，从而优化HDPE的降解效率。在水解阶段，微生物和酶类集中作用于分解HDPE和有机废弃物，而在后续的酸化和甲烷化阶段，这些分解产物被进一步转化为沼气。这种分阶段处理方法能够有效提升HDPE的降解速度，同时维持整体消化系统的稳定运行。

本研究采用的是实验室规模的两阶段厌氧共消化系统，将HDPE塑料与水果和蔬菜废弃物（Fruit and Vegetable Waste, FVW）共同处理。FVW富含易于降解的有机物质，如纤维素、果胶和碳水化合物，这些物质为微生物提供了丰富的营养来源，从而促进其生长和代谢活动。此外，FVW的降解过程会产生短链脂肪酸（SCFAs），这些物质在后续的甲烷化阶段能够为产甲烷菌提供必要的营养，进而提高沼气产量。因此，将FVW作为共基质，不仅有助于提高HDPE的降解效率，还能增强整个消化系统的性能。

在实验设计中，研究人员使用了0.5升的接种物、2000克的FVW以及21克的HDPE塑料进行每批次的处理。整个实验持续了11批次，每30天更换一次FVW，而HDPE塑料则在未被降解的情况下保持不变。为了评估HDPE的降解情况，研究人员在实验过程中对样品进行了质量损失的测量，并结合扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，确认了HDPE表面形态的变化以及功能基团的修饰。这些分析结果支持了HDPE在共消化过程中的部分降解。

研究结果表明，尽管HDPE的存在对甲烷产量产生了一定的影响，导致甲烷产量最多减少了19.57%，但整个消化系统仍然保持稳定运行，未出现明显的抑制现象。这说明，在两阶段共消化系统中，HDPE的降解并未对微生物群落造成显著的负面影响。同时，HDPE的降解率也达到了可观的水平，例如，塑料颗粒的降解率为14.02%，而废塑料的降解率则为17.7%。这些数据表明，两阶段共消化系统在处理HDPE废弃物方面具有一定的潜力。

从微生物群落的角度来看，16S rRNA测序分析显示，主要参与水解阶段的微生物群落包括厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和变形菌门（Proteobacteria）。这些微生物在HDPE的降解过程中发挥了关键作用，它们能够分泌特定的酶类，以分解HDPE的长链结构。此外，研究还指出，微生物群落的多样性对于HDPE的降解至关重要。在单阶段系统中，微生物群落往往缺乏足够的多样性，难以同时处理易降解有机物质和难降解HDPE材料。而在两阶段系统中，由于FVW的引入，微生物群落得以更加均衡地发展，从而提高了整体的降解效率。

为了进一步理解两阶段共消化系统中碳的流动和转化，研究人员进行了碳质量平衡分析。这一分析有助于揭示HDPE在共消化过程中的碳转化路径，以及其对整个系统碳循环的影响。结果显示，HDPE的降解过程在一定程度上促进了碳的循环利用，同时也为沼气的生成提供了额外的碳源。这种碳循环机制不仅提高了系统的能量回收效率，还为未来的优化策略提供了理论依据。

本研究的意义在于，它为HDPE废弃物的生物处理提供了一种可行的解决方案。通过将HDPE与FVW共消化，研究人员不仅提高了HDPE的降解效率，还增强了整个系统的稳定性和性能。这一方法为有机废弃物和塑料废弃物的综合管理提供了一种新的思路，即通过协同处理，实现资源的高效利用和环境的可持续治理。此外，研究还揭示了微生物群落在HDPE降解中的重要作用，为未来进一步优化共消化系统提供了方向。

未来的研究应着重于优化厌氧共消化系统的运行条件，例如温度、pH值、水力停留时间以及接种物与基质的比例。这些参数的调整可能有助于进一步提高HDPE的降解速率，并增强系统的整体性能。同时，对中间产物，如HDPE衍生的寡聚物和潜在的抑制性物质进行系统分析，也将有助于深入理解HDPE降解的机制和路径。此外，采用时间序列分析，对消化过程的各个阶段进行动态跟踪，能够为系统的优化和调控提供更加精确的数据支持。

综上所述，两阶段厌氧共消化系统在处理HDPE废弃物方面展现出了良好的潜力。通过引入FVW作为共基质，不仅提高了HDPE的降解效率，还增强了整个系统的稳定性。这一方法为实现有机废弃物和塑料废弃物的协同处理提供了一种有效的途径，同时也为未来在更大规模上应用该技术奠定了基础。随着对微生物群落和降解机制的进一步研究，厌氧共消化有望成为解决HDPE污染问题的重要手段之一。