生物塑料厌氧消化中预处理强度优化研究：基于中温和高温条件下重复批次测试的微生物适应性评估

本研究针对生物塑料(BPs)厌氧消化(AD)中降解不完全和反应速率慢的问题，通过创新性重复批次生化甲烷潜能(BMP)测试，系统评估了不同碱预处理强度(50–300 g OH?/kg BP)对聚羟基丁酸酯(PHB)和聚乳酸(PLA)甲烷产率(MPY)的影响。研究发现PHB无需预处理即可实现>90% MPY，而PLA通过微生物自然适应在第三批次未处理组达到65% MPY的突破性结果，为降低BPs处理能耗提供了重要依据。

　　

随着化石燃料塑料对环境造成的负面影响日益凸显，生物可降解塑料(BPs)的替代应用正成为全球关注焦点。虽然这类生物基材料在生产过程中温室气体排放较低，但其"可生物降解"特性往往名不副实——多数BPs更准确应称为"可堆肥"材料，而传统堆肥处理不仅需要大面积场地，还需3-6个月才能达到90%的生物降解率。相比之下，厌氧消化(AD)技术能将有机废物转化为富含甲烷(CH₄)的沼气，在实现"2050年净零碳排放"目标中扮演关键角色。然而，BPs在AD过程中普遍存在降解不完全、反应速率慢等问题，其降解速度通常比常规厌氧消化器的水力停留时间(HRT)长3-4倍。

针对这一挑战，韩国国立研究基金会支持的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表创新性研究成果。研究首次采用重复批次生化甲烷潜能(BMP)测试方法，系统评估了不同碱预处理强度对两种主流生物塑料——聚羟基丁酸酯(PHB)和聚乳酸(PLA)在中温(35°C)和高温(55°C)条件下的降解性能。通过三批次连续实验结合微生物群落分析，揭示了微生物自然适应对BPs降解的关键作用。

研究主要采用以下技术方法：(1)将PHB和PLA研磨至2mm以下后，采用50-300 g OH^?/kg BP梯度碱浓度在100°C预处理3小时；(2)使用污水处理厂厌氧消化污泥作为接种物，在500mL血清瓶中进行BMP测试；(3)通过三批次重复实验评估微生物适应性；(4)采用高通量测序分析细菌和古菌群落结构变化；(5)基于COD(化学需氧量)转化率计算甲烷产率(MPY)，设定1g COD=350mL CH₄为理论最大值。

BP预处理
研究发现随着OH^?剂量增加，BPs溶解率从10%逐步提升至60%，其中PLA溶解率略高于PHB。值得注意的是，pH超过13.9后继续提高对溶解率影响有限，且实际操作中维持恒定pH存在技术难度。

微生物适应性表现
PHB在所有批次中均保持>90%的高MPY，表明其本质上易于生物降解，无需预处理。而PLA展现出显著的微生物适应现象：首批次未处理组几乎不产CH₄，但经过200 g OH^?/kg BP预处理后MPY显著提升；到第三批次时，未处理PLA组MPY意外达到65%——这是迄今报道的最高值，证明PLA固体部分可通过微生物自然适应实现有效降解。高温条件进一步强化了这一现象，预处理PLA在55°C下MPY超过85%。

微生物群落演变
不同底物和温度条件下，优势细菌和古菌种群发生显著变化。中温系统中，水解菌如Anaerolineaceae和Clostridia在PLA降解中起关键作用；而高温条件下，Thermotogae和Methanothermobacter等嗜热菌成为主导。这些发现为理解BPs生物降解机制提供了重要线索。

结论与意义
该研究首次证实：(1)PHB具有本质可降解性，无需额外预处理；(2)PLA降解存在显著微生物适应现象，通过重复批次培养可大幅提升未处理PLA的MPY；(3)高温条件能加速微生物适应进程。这些发现颠覆了传统认知——即必须通过高强度预处理才能实现BPs有效降解，为开发低能耗BPs处理工艺提供了理论依据。研究提出的重复批次测试法能更准确评估BPs真实降解潜力，避免单次实验可能导致的误判。

特别值得注意的是，PLA在未处理情况下通过微生物适应达到65% MPY的发现，意味着现有研究中报道的"低降解率"可能低估了其实际潜力。这一突破性认识将直接影响未来生物塑料废弃物管理策略的制定，有望显著降低处理能耗和成本。同时，研究揭示的温度依赖性微生物群落演变规律，为优化AD系统运行参数提供了重要参考。