可堆肥塑料的生命周期评估：批判性综述与差距分析

《Resources, Conservation and Recycling》：Life cycle assessment of compostable plastics: critical review and gap analysis

　　

摘要 基于生物质的可降解塑料因其潜在的环保效益和循环性，越来越多地被视作化石基塑料的可持续替代品。然而，评估其整体可持续性需要对整个生命周期内的环境影响进行全面评估，以避免负担转移和意外后果。本研究对63项已发表的可堆肥塑料生命周期评估（LCA）研究进行了批判性综述和差距分析，重点关注可堆肥塑料及其终末处理方式。综述发现了影响环境评估准确性的关键数据缺口和方法学局限。主要发现表明，堆肥过程的不一致建模方法存在显著的数据缺口，包括生物降解过程中CO?排放的时间动态、堆肥施入土壤的环境后果，以及决定材料持久性和其对塑料泄漏潜在贡献的聚合物特定降解速率。分析强调了获取涵盖空气排放和土壤影响的材料特定生命周期清单（LCI）数据的必要性，以及改善塑料泄漏和微塑料流动的报告中存在的不足，尽管相关清单方法和特征化因子已日益可用，但应用仍然不均。解决这些缺口对于提高可堆肥塑料环境评估的可靠性和完整性至关重要。 引言 塑料污染是主要由化石基塑料的广泛使用和持久性所驱动的当今主要全球环境挑战。2019年全球产量达到4.6亿吨，产生了3.53亿吨废弃物，其中大部分被填埋或管理不当（Hoseini and Bond, 2022; Rachita et al., 2026）。在其整个生命周期中，塑料对温室气体排放、资源消耗和环境影响均有贡献，威胁着生态系统、野生动物和人类健康。应对这些挑战需要减少对化石基塑料的依赖，改善废弃物管理并推进循环经济战略，包括在适当情况下采用可降解替代品。 可降解塑料旨在在使用后经微生物转化，但其环境效益在很大程度上取决于接收环境和废弃物管理途径。预期的生物终末处理途径包括特定农业应用的土壤生物降解、经认证可堆肥产品（如包装和食品服务用品）的工业堆肥，以及在厌氧条件下可降解材料的厌氧消化。 生物塑料、生物质基塑料、可降解塑料、可生物降解塑料和可堆肥塑料等术语经常互换使用，导致概念混淆。生物质基塑料全部或部分来源于生物质，可能是可生物降解的（如PLA、PHA、TPS）或不可生物降解的（如生物基PE、生物基PP、生物基PET）；因此，生物质来源并不意味着可生物降解。相反，一些可生物降解塑料（如PBAT、PCL）是化石基的，而另一些如PBS则可能根据生产路线不同而成为化石基或部分生物质基的。 可生物降解材料通过生物活动发生降解，通常涉及微生物将聚合物链代谢为CO?、水和生物量。然而，降解速率因聚合物结构、结晶度、分子量和环境温度条件（如温度、氧气供应和微生物活性）的不同而存在显著差异。例如，PLA在工业堆肥条件下通常降解良好，因其经历水解后由微生物同化，而PHA等聚合物则可在土壤或海洋环境中较容易降解，因为其化学结构对微生物酶更具可及性（Fakhrizada and Dahman, 2025; Shanmugam et al., 2026; Weinstein et al., 2020; Zhang et al., 2024）。 本研究的重点是可堆肥塑料，它是可生物降解材料的一个子集，满足特定认证标准，要求在受控条件下进行生物降解、解体和保持堆肥质量（见图1）。本综述考虑了可堆肥塑料，包括生物质基和化石基可生物降解聚合物，其堆肥被建模为预期的生物终末处理途径。尽管厌氧消化（AD）也可作为某些可生物降解聚合物的生物处理途径，但工业堆肥仍然是可堆肥塑料的主导认证框架，也是已综述LCA文献中最常建模的生物终末处理途径。此外，AD性能因聚合物和条件而异，有研究报告在常规AD条件下商业可堆肥塑料的降解不完全或存在不确定性（álvarez-Méndez et al., 2023; Falzarano et al., 2025; Yu and Flury, 2024）。因此，本综述专门聚焦于堆肥，以评估当前在建模可堆肥塑料终末处理过程中存在的方法学缺口（Cristóbal et al., 2023）。尽管可堆肥塑料在适当处理条件下可能提供益处，但由于材料特定的降解行为和废弃物管理的变异性，其环境表现仍存不确定性（Faria et al., 2026; Haq et al., 2025; Morais et al., 2025; Moshood et al., 2025, 2022; Shen et al., 2010）。 ISO、ASTM和EN等组织已制定了塑料降解的标准定义。根据ASTM，可生物降解材料是指通过自然界存在的微生物（包括细菌、真菌和藻类）作用发生降解的材料。 可堆肥性是基于认证的属性，要求材料在受控条件和特定时间内分解且不留下有毒残留物。国际如EN 13432（欧盟）、ISO 17088和ASTM D6400/D6868（美国）等标准规定了工业堆肥条件下生物降解速率、解体性和生态毒性的标准（另见补充材料表S1）。ASTM D6400和EN 13432等标准定义了可堆肥塑料的技术要求，包括生物降解速率、解体性能和生态毒性标准。这些标准构成了认证体系的基础，被监管机构和企业用于验证可堆肥性声明并确保堆肥质量。可堆肥塑料包括聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、热塑性淀粉（TPS）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和对苯二甲酸丁二酸丁二醇酯（PBAT）等聚合物，这些材料常用于食品包装和服务用品领域，其中食物废弃物的污染限制了机械回收（Law and Narayan, 2022; Rachita et al., 2026）。 堆肥可在不同的温度环境下进行。工业堆肥在较高温度（约60°C）、高相对湿度和有氧气存在的情况下进行（Haider et al., 2019）。这些条件通常比环境温度环境（如家庭堆肥、土壤或水中）更有利于加速生物降解。 工业好氧堆肥系统的一个示例见附录A（图A1），堆肥过程由以下阶段组成（Mouhoubi et al., 2022）：i.废弃物的机械预处理；ii.生物过程启动的几天阶段；iii.几乎持续三周的热腐阶段，温度在55至60°C之间；iv.持续1至2个月的熟化阶段，在此期间堆肥冷却至环境温度；v.最终精制，通过毫米级筛网获得可接受的堆肥质量。 相比之下，家庭堆肥在环境温度（20-30°C）下进行，在管理和气候方面存在较大变异性。EN 17427等标准和OK Compost Home认证规定了这些环境下的要求，通常要求在12个月内降解90%。然而，实验室标准合规并不总是能保证在现实环境中完全降解；例如，大型堆肥实验发现许多经认证的可堆肥塑料在英国家庭堆肥箱中一年内未能完全降解（Purkiss et al., 2022）。 优质堆肥可通过增加土壤有机质、增强养分保持和阳离子交换能力、改善保水性和刺激生物活性来提高土壤质量。然而，这些益处取决于堆肥质量、施用背景和不存在物理或化学污染物的情况。此外，堆肥可产生环境排放，包括CO?、CH?、N?O和NH?，这些取决于过程条件、废弃物组成和操作管理。这些排放对气候和空气质量产生影响，因此是堆肥系统生命周期评估（LCA）中的重要参数（Adhikari et al., 2024; Gilbert et al., 2020; Joseph et al., 2021; Oviedo-Oca?a et al., 2023）。 在全球范围内，有机城市固体废物（MSW）的分拣收集和堆肥可能通过增加土壤有机碳每年封存约3400万吨CO?，估计这相当于全球4%耕地土壤有机碳的4%增长，这是由于有机质的腐殖化作用。该数字仅反映持续的土壤碳储存，此外还包括避免了垃圾填埋产生的甲烷排放。然而，实现这些气候效益取决于有效的废弃物收集、处理性能和堆肥质量（Gilbert et al., 2020）。 评估可堆肥塑料的可持续性需要对其环境影响进行全面审视。生命周期评估（LCA）提供了一种结构化的方式来评估排放、残留物和降解途径，有助于识别益处和潜在弊端。 标准化于ISO 14040和14044的生命周期评估（LCA）被广泛用于评估产品全生命周期的环境影响。对于可堆肥塑料而言，LCA尤为重要，因为其益处和负担很大程度上取决于原料生产、材料性能、收集途径、堆肥条件和终末处理排放。可靠的解读因此需要透明的假设、敏感性分析和不确定性评估。 LCA结果对目标与范围定义、功能单位规范和范围选择（如摇篮到厂门、摇篮到坟墓或摇篮到摇篮）敏感。虽然这些要素在ISO 14040/44标准中有规定，但其在实际应用中的差异可能会限制各研究之间的可比性。 多功能性，特别是涉及副产物、回收、堆肥或能源回收的系统，需要按照ISO指南进行分配或系统扩展。在允许的方法中选择不同方案可能会显著影响报告的影响结果。 大多数LCA是静态的，代表平均条件，常常忽视了时间依赖过程（如有机碳动力学和不断演变的能源系统）以及特定场地的条件。此外，LCIA方法、标准化和加权等方面的差异可能影响影响排名，而不确定性分析尽管有谱系矩阵和蒙特卡洛模拟等可用方法，但应用不一致，导致数据缺口和假设引起的变异性未被充分表征。 塑料生产、加工和终末处理的一手数据往往有限，且背景数据集可能过时或不代表特定区域。生产和运输过程中的材料损失，如颗粒（"pellet"）泄漏，也经常被排除在外。 使用和处理阶段还存在其他不确定性。添加剂迁移、储存相关的材料变化、现实环境中的分拣、处理途径和污染率很少被表征，尽管这些因素对需要适当收集和处理的可堆肥塑料很重要。 评估塑料泄漏和垃圾影响还带来了另一方法学挑战。一旦释放，塑料可能通过各种环境介质传播，包括空气、陆地、淡水和海洋环境，并碎化为微塑料和纳米塑料。虽然尚未有完全标准化的LCIA方法，但估算塑料泄漏和表征选定微塑料影响的方法已越来越多地被开发。MarILCA（Marine Impacts in LCA）等国际倡议已推进方法学框架以评估这些影响（Boulay et al., 2021）。近期研究进一步开发了海洋环境中可生物降解聚合物的特征化因子，指出在受控条件下经认证的可生物降解性并不一定意味着在开放环境系统中的快速降解（Pellengahr et al., 2025）。尽管如此，将垃圾影响纳入常规LCA仍然具有方法学挑战性，仍是活跃的研究领域（Boulay et al., 2021; Woods et al., 2021）。 这些方法学和数据的局限性在评估可堆肥塑料等新兴材料时尤为重要（Boldrin et al., 2009; Hann et al., 2020）。过去二十年间对生物质基塑料进行的LCA表明，这些材料通常比石油基塑料具有较低的温室气体排放和较少的非可再生能源消耗（Molina-Besch, 2022; Spierling et al., 2018）。生物质基塑料的分析面临关键挑战，包括生产过程的变异性、缺乏规模化数据、多样的材料特性以及废弃物系统中行为的确定性不足（Hermann et al., 2011; Hottle et al., 2013）。如果不进行包括终末处理在内的完整生命周期覆盖，则存在负担转移的风险。虽然已有一些综述，但只有少数专门涉及终末处理（EOL），更少聚焦于堆肥（Bishop et al., 2021; Pellengahr et al., 2025; Spierling et al., 2018; Van Roijen and Miller, 2022; Yates and Barlow, 2013）。Van Roijen等（Van Roijen and Miller, 2022）比较了生物质基塑料LCA研究中的终末处理假设与实验发现，以识别研究缺口并强调不确定性来源。他们的分析发现，大多数LCA研究将垃圾填埋作为主要的终末处理选项，而仅有限数量的研究试图建模堆肥过程。Pellengahr等（2023）全面概述了LCA中终末处理建模的现状。他们识别了一系列建模中固有的简化方法，并评估了这些方法对LCA研究中报告的环境结果的影响。他们还发现与塑料生物降解相关的终末处理选项建模存在显著差异，包括信用分配方法和碳封存方面的变化。

Islam等人（2024）进一步表明，环境影响受原料选择、加工方法和处置方式的影响。尽管相关文献日益增多，但堆肥塑料的生命周期评价在将堆肥作为末端处置路径进行表征时仍存在不一致性。尚未解决的关键问题包括：使用通用堆肥数据与聚合物特异性堆肥数据的选择、降解速率与温室气体排放的假设、生物源碳的处理与排放时间考量、堆肥施用的建模与避免产品信用分配、以及下游泄漏、微塑料形成和施用后归宿的表征。本综述分析了现有生命周期评价对这些问题的处理方式，并提出建议以提高透明度、可比性和方法论的严谨性。

## 章节节选

### 综述方法

本研究通过系统性文献综述，评估堆肥在可堆肥塑料生命周期评价中作为末端处置路径的建模方式。利用Scopus数据库检索了2010年至2024年间发表的研究，该数据库收录了包括《科学引文索引》（SCI）和《社会科学引文索引》（SSCI）所列的同行评议期刊，基于以下关键词组合进行检索：

- （生物塑料 OR 生物聚合物）AND（生命周期评价 OR "生命周期评估"）；
- （生物基塑料 OR 堆肥塑料）AND（生命周期评价 OR "生命周期评估"）

### 生物源碳

生物基塑料含有生物源碳，这些碳通过植物光合作用从大气中捕获。在生命周期评价研究中，对生物源碳有两种主要的建模方法（Pawelzik等人，2013）：

- **临时碳储存**：光合作用中捕获的二氧化碳在分析期内（通常为20至500年）保留在材料中，若未释放则计为碳封存。
- **碳中性假设**：即光合作用期间以二氧化碳形式捕获并由材料封存的碳，在生命周期结束后通过降解释放回大气，因此净排放为零。

### 结论

本综述表明，可堆肥塑料的生命周期评价建模受限于重大数据空白和方法论的不一致性。许多研究依赖通用的"生物废弃物"数据集（例如Ecoinvent），这可能无法准确反映聚合物特异性的降解行为、排放和堆肥产出。主要不确定性包括：聚合物特异性的降解速率、二氧化碳排放时间、堆肥施用影响，以及土壤施用后残余物质的归宿。

缺乏标准化协议进一步加剧了方法学的不一致，导致研究结果的可比性降低，限制了政策制定者做出知情决策的能力。

## CRediT作者贡献声明

Maryam Hoseini：初稿撰写、方法论、调查研究、形式化分析、概念化。

Stuart Walker：审阅与编辑、调查研究、形式化分析。

Rachael Rothman：审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

作者感谢Innovate UK在项目10020315下的资金支持。作者还感谢Grantham环境保护基金会的支持。为便于开放获取，作者对其任何作者接受稿版本申请了知识共享署名（CC BY 4.0）许可协议。

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