综述：微塑料在厌氧消化中的跨尺度效应：对厨余处理和消化产物安全的启示

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Cross-Scale Effects of Microplastics in Anaerobic Digestion: Implications for Food Waste Treatment and Digestate Safety

　　

## 摘要

微塑料（MPs）已成为食品废物厌氧消化（AD）系统中关键的非常规污染物。然而，现有的综述主要关注工艺性能或单一毒性效应，缺乏对微塑料如何重塑微生态互作、代谢协作及最终环境归趋的跨尺度理解。为弥补这一空白，本文构建了一个涵盖微界面过程、中尺度代谢网络和宏观环境归趋的综合框架。在此框架内，本文强调了几个尚未充分探索的调控维度。首先，将"塑料圈层"（plastisphere）的概念从细菌和古菌扩展至病毒组（virome）和真菌组（mycobiome），强调其在群落演替、物质循环和生物安全风险中的潜在作用。其次，提出了微塑料对直接种间电子传递（DIET）的双重调控模式，即绝缘性微塑料阻碍共生电子交换，而导电性聚合物材料则可能促进电子传递。第三，总结了多尺度抑制级联效应：微塑料可与脂质协同形成传质屏障，通过蛋白冠形成吸附胞外酶以抑制水解，纳米级碎片化后还可诱发细胞内活性氧（ROS）应激和代谢停滞。此外，本文批判性地评估了预处理悖论，即预处理可能同时增强底物溶解化和加速微塑料老化、微塑料碎片生成及添加剂释放。最后，从工艺韧性和风险拦截的角度评估了潜在的缓解策略，包括导电材料、基于生物炭的调控和水热碳化。总体而言，本文推进了对食品废物厌氧消化过程中微塑料的机理和跨尺度理解，对增强工艺韧性和消化物安全性具有重要意义。

## 引言

食品废物的厌氧消化（AD）是循环资源体系中废物稳定化和生物质能回收的重要途径。然而，微塑料（MPs）的不断出现为该过程引入了额外的理化与生态扰动[1]。食品废物现已被认为是微塑料的重要载体，其微塑料负荷可能因收集、分拣和处理方式的不同而存在显著差异。特别是，尽管现代预处理设施通过机械分拣、水力旋流器和打浆等方式去除可见的塑料杂质，但这些高强度过程同时可能将较大的塑料碎片在强剪切力作用下破碎为二次微塑料。因此，预处理不仅可能无法完全阻止塑料进入AD系统，还可能增加更小且更具反应活性的塑料颗粒丰度。一旦在消化物中滞留，这些微塑料可能进一步通过消化物衍生有机肥的农田施用进入农业土壤，从而延长食品废物循环利用的环境风险[2]。

微塑料在厌氧消化器中的积累已不再仅仅是物理占位问题，而是一个复杂的生物地球化学过程[3]。这些微小的聚合物颗粒以一种隐蔽而深刻的方式干预着微生物的生命活动。从宏观视角看，微塑料可导致沼气产量下降、系统酸化甚至工艺失败[4]。从微观视角看，微塑料充当微生物群落演替的选择器、抗生素抗性基因（ARGs）水平转移的加速器，以及阻碍产酸菌与产甲烷菌之间高效电子传递的绝缘体[5]、[6]。更为紧迫的是，AD产生的消化物通常作为土壤改良剂使用，使AD系统成为微塑料从城市废物向农业土壤生态系统转移的关键枢纽[7]、[8]。此后，微塑料可能重新进入人类食物链，构成对生态健康的闭环风险。本文将深入探讨微塑料在食品废物AD整个生命周期中的归趋和多维影响，特别关注"塑料圈层"生态学、电子传递机制的生理-生物耦合效应，以及纳米塑料的独特毒理学机制。现有的大多数综述局限于细菌或古菌层面的单一性能评估，缺乏对微生态网络中级联效应的系统分析。特别是，涉及病毒组和真菌组作为"生态暗物质"的跨界调控机制、微塑料导电性在直接种间电子传递（DIET）中的双重调控作用，以及预处理过程中可能诱导纳米塑料生成的双重风险，仍有待深入阐明。

为弥补这些空白，本文建立了一个涵盖微界面行为、中尺度代谢网络和宏观环境归趋的综合综述框架。在本综述中，三个尺度由主导过程而非刚性空间界限来界定。微观尺度涵盖颗粒表面、生态冠形成、胞外酶吸附以及纳米塑料-细胞的胞内相互作用；中尺度涵盖污泥絮体、生物膜、跨界群落演替、群体感应、DIET和代谢网络再分布；宏观尺度涵盖反应器性能、消化物处理、农田施用以及土壤-作物-食物链归趋。其特征时间域从界面事件的分钟到小时级，到反应器微生物网络的数天至数周级，再到施用后环境归趋的数月或数年级。本文利用该框架阐明微塑料如何从惰性杂质转变为生态活性因子，并对更富韧性的食品废物资源回收系统的工程控制策略进行批判性评估。

## 章节片段

### 来源分析与提取挑战

食品废物AD系统中微塑料的来源高度复杂且异质。图1系统总结了食品废物AD系统中微塑料的主要来源、提取和检测相关的挑战以及相应的近期技术进步。食品废物已被确认为城市代谢系统中微塑料的关键汇，其来源表现出显著的多样性和二次生成特征（图1a）。首先，聚合物……

### 塑料圈层微生态与跨界微生物互作

进入厌氧消化器后，微塑料在数分钟至数小时内即被一层"调理膜"所包裹，这由其高疏水性和大比表面积所驱动。随后，细菌、古菌、真菌、病毒和原生动物通过菌毛、黏附素或胞外聚合物（EPS）实现不可逆定殖，共同形成"塑料圈层"[17]。该微环境可能为微生物演替、水平基因转移提供有利条件……

### 生化代谢抑制：酶抑制、脂质协同与纳米毒性

微塑料对AD性能的影响远超物理占位。微塑料通过多维机制对水解、产酸、产乙酸和产甲烷四个核心阶段引发级联抑制效应，导致物质转化效率的全面下降。

### 电子传递动力学：绝缘屏障与导电聚合物的逆转

AD的效率高度依赖于微生物群落间高效的电子流动，特别是近期备受重视的DIET机制。微塑料在该过程中同时扮演"破坏者"和"构建者"的双重角色，其影响取决于材料的本征导电性。为便于说明，本文采用10?? S/cm作为聚合物绝缘的操作性界限，低于该值的微塑料被归类为非导电微塑料（NC-MPs）。

### 预处理的取舍：增溶化增强与微塑料转化及有毒物质释放

二次微塑料/纳米塑料的形成路径在不同预处理方法间存在显著差异。机械破碎主要通过剪切、撞击和磨损实现粒径减小，增加颗粒数量和新生暴露表面积，但不一定改变聚合物主链。热水解结合了热软化与链断裂、表面氧化和结构完整性丧失，从而促进碎片化和添加剂释放。相比之下，碱处理……

### 缓解策略与未来展望：从被动应对到主动调控

面对食品废物AD系统中微塑料带来的多方面挑战，包括物理堵塞、生化抑制和代谢扰动，学术研究范式正经历从单一末端治理向全面、全流程主动调控的深刻转变[5]。这一趋势强调通过材料科学、环境微生物组学和合成生物学的整合，开发靶向修复策略。

### 靶向生物增强

生物增强已不再局限于简单的微生物接种，而是转向特定功能酶系统的引入和原位表达。驯化后的高效率塑料降解微生物混合菌群的应用——如产生PET水解酶的*Ideonella sakaiensis*或具有强烷烃代谢能力的*Pseudomonas*属——具有重要意义[85]、[86]。这些功能微生物分泌胞外解聚酶（如PETase、MHETase）……

### 群体感应（QS）生态调控

凭借其大比表面积，微塑料倾向于吸附环境中的信号分子，如N-酰基高丝氨酸内酯（AHLs），这导致微生物间通讯的中断，进而破坏生物膜结构。针对这一机制，开发了基于QS的生态调控策略。外源添加特定信号分子（如C6-HSL、C8-HSL）可补偿被吸附的信号浓度，重启分泌……

## 结论

本研究证实，微塑料通过多维机制严重阻碍食品废物的AD过程并引发生态风险。核心结论如下：

(1) **多维代谢抑制：** 微塑料与脂质协同形成物理屏障，阻碍传质，并通过蛋白冠非竞争性地抑制水解酶活性。纳米颗粒进一步诱导胞内ROS爆发，损害关键酶，而绝缘性微塑料则充当电子壁垒进行阻断……

## CRediT作者贡献声明

路永超：撰写——初稿、方法论。孙英杰：方法论、调查研究。赵建伟：撰写——审阅与编辑、调查研究。孔瑶：撰写——审阅与编辑、验证。

## 生成式AI与AI辅助技术在写作过程中的声明

本文中的示意图由作者使用Adobe Illustrator手动设计和制作。本研究中使用的图形、科学内容、数据或结论均未使用任何生成式人工智能工具。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的、可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本研究获得山东省自然科学基金（ZR2024ME086）、博士后流动站特别经费以及中国博士后科学基金项目（2023T160349）的资助。

## 利益冲突

作者声明不存在已知的、可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

孙英杰 | 路永超 | 孔瑶 | 赵建伟

喀什大学土木工程学院，新疆工程材料与结构安全重点实验室，喀什，844006，中国