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随着塑料污染加剧，可降解塑料聚（3 - 羟基丁酸酯）（P3HB）备受关注。研究人员开展碱热预处理 P3HB 的研究，发现该预处理显著提升其溶解和厌氧消化性能，提高 CH4产量。这为 P3HB 废弃物处理及能源回收提供了新途径。
在当今时代，塑料的身影无处不在，全球塑料制造量从 1950 年的 100 万吨一路飙升至 2020 年的 3.65 亿吨。在韩国，2021 年塑料垃圾产生量更是达到约 1200 万吨，与 2011 年相比增长了 2.3 倍。尤其是新冠疫情期间，一次性塑料制品的大量使用，让塑料垃圾问题雪上加霜。传统塑料难以降解，无论是填埋还是焚烧，都给环境和人类健康带来了巨大威胁。为了应对这一困境，可降解塑料逐渐进入人们的视野，聚（3 - 羟基丁酸酯）（P3HB）就是其中备受瞩目的一种。它属于聚羟基脂肪酸酯家族，可由生物质通过微生物生产，具有良好的生物降解性，在包装等领域广泛应用 。
然而，P3HB 在厌氧消化过程中也面临挑战。厌氧消化是处理有机污染物并产生沼气（一种可再生能源）的可持续方法，其过程包括水解、酸化、产乙酸和产甲烷四个阶段。但 P3HB 的疏水性和有限的表面积阻碍了微生物的接触，使得水解这一关键步骤成为限速步骤，未经预处理的 P3HB 降解大约需要 100 天，远远超出了实际应用中连续厌氧消化器通常 25 - 40 天的水力停留时间（HRT） 。虽然此前有研究对 P3HB 的预处理条件进行过探讨，但缺乏对温度、pH 和反应时间等参数相互作用的综合评估，也没有将全因子实验设计与动力学建模和微生物群落分析相结合的研究。
为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了一项深入研究。他们应用 32×4 全因子设计，系统地探究了碱热预处理参数对 P3HB 溶解和甲烷生成的影响。通过响应面分析进行过程建模，并利用 16S rRNA 测序对微生物群落进行分析，全面了解预处理条件对 P3HB 厌氧消化过程性能和微生物机制的影响 。
在研究方法上，研究人员选用商业购买的 P3HB 颗粒和来自韩国釜山某大型厌氧消化池的接种物，制备厌氧培养基。采用全因子实验设计，设置不同的温度（37、55、73 和 91°C）、pH（7、10 和 13）和反应时间（24、72 和 120 小时）组合，进行碱热预处理和后续的厌氧消化实验。利用气相色谱仪（GC）测定沼气中 CH4、CO2和 N2的含量，通过扫描电子显微镜（SEM）观察 P3HB 表面形态变化，运用 16S rRNA 基因宏基因组测序平台分析微生物群落结构 。
研究结果令人瞩目。在未处理 P3HB 的厌氧消化实验中，其 CH4产量为 374 ± 6 mL CH4/g COD，接近理论产量的 94%，但生产速率较慢，为 3.1 mL CH4/g VSSInoculum/d，完全消化需要 110 天 。碱热预处理实验表明，碱性条件（pH 13）下 P3HB 的溶解效率显著提高，最高可达 99.6%。pH 对溶解效率影响最大，且温度、pH 和反应时间之间存在协同作用。SEM 分析发现，预处理改变了 P3HB 的表面形态，增加了表面粗糙度和孔隙度 。
在预处理 P3HB 的厌氧消化实验中，CH4生产速率和产量随预处理条件的强化而增加。在最强烈的碱热预处理条件下（91°C、120 小时、pH 13），CH4生产速率达到 73.7 mL CH4/g VSSInoculum/d，相比未处理的 P3HB 提高了 23.8 倍；CH4产量达到 386.5 mL CH4/g COD，厌氧消化时间从 110 天缩短至 13 天 。微生物群落分析显示，不同预处理条件下的微生物群落结构存在显著差异。Spirochaetaceae 在溶解较少的 P3HB 样品中更为丰富，而 Mesotoga、Christensenellaceae R - 7 group、Sedimentibacter 和 Syntrophomonas 等在碱热预处理后的样品中更为常见。产甲烷古菌中，氢营养型产甲烷菌在溶解较少的样品中占优势，而乙酸营养型产甲烷菌 Methanosaeta concilii 在碱热预处理后的样品中更为丰富 。
技术经济评估结果表明，经过优化的碱热预处理后，P3HB 厌氧消化的净收益最高。如 A - P3HB 处理（pH 13、37°C 的碱预处理）的净收益为 55.5 �/m3，AT - P3HB 处理（pH 13、91°C、120 小时的碱热联合预处理）的净收益为 66.1 �/m3，相比未处理的 P3HB 大幅提高 。
综上所述，该研究表明碱热预处理能显著提高 P3HB 的溶解效率，改善其厌氧消化性能，加快 CH4生产速率并提高产量。通过部分立方模型定量表达了预处理参数的综合影响，为优化 P3HB 的碱热预处理策略提供了有价值的参考。该研究整合了多种研究方法，为 P3HB 厌氧消化的研究提供了全面的框架。不过，未来还需在连续厌氧消化系统中进一步验证这些结果，并探索与营养丰富的有机废物共消化的策略，以推动 P3HB 废物处理的可持续厌氧消化进程。这项研究成果发表在《Environmental Technology 》上，为解决塑料垃圾处理和可再生能源回收问题提供了新的思路和方法。
