基于玉米淀粉的可降解塑料袋的生物降解性测试：水分对二氧化碳排放、微生物群落及酶活性的影响

《Waste Management》：Biodegradability test on a corn starch based compostable plastic bag: impact of moisture on CO 2 emissions, microbial communities, and enzymatic activities

　　

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  基于玉米淀粉的可降解塑料袋在工业堆肥中的生物降解情况进行了评估。
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  堆肥中的水分含量对二氧化碳（CO₂）的排放有显著影响。
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  在50%的水分含量下，6个月后该塑料袋的生物降解率达到了82%。
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  水分含量和塑料袋类型对微生物多样性和数量有影响。
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  纤维素酶/木质素酶的活性并未随着水分的变化而发生变化。

引言

塑料在环境中的积累引发了全球性的关注，并促使人们研究塑料的降解途径。一方面，传统的塑料（基于化石油）由于其稳定的化学结构、疏水性、高分子量、高结晶度、较少的可利用官能团以及长聚合物链，难以通过堆肥和/或厌氧消化进行降解（Tokiwa等人，2009年；Zhang等人，2021a年；Zhang等人，2021b年）。另一方面，可降解塑料因其含有酯键和/或酰胺键的化学结构而被视为可生物降解的材料，这些键使其易于发生水解和生物降解（Bastioli，2005年；Kumar等人，2023年；Napper和Thompson，2019年；Sander等人，2023年）。它们的结构类似于天然聚合物材料（如纤维素或木质素），因此能够引发类似的生物降解机制（Ge等人，2022年；Hahn和Hennecke，2023年；Tokiwa等人，2009年）。

为了促进塑料通过堆肥过程的生物降解，人们制定了多种标准来评估其在工业堆肥环境中的可降解性。堆肥过程受到多种环境参数的影响，包括堆肥料的质地和初始有机物成分、温度、水分含量（MC）、pH值、氧气供应/可用性（通风情况）以及碳氮比（C/N比）（Ayilara等人，2020年）。然而，这些参数在堆肥过程中的重要性并不相同。一些研究表明，水分含量是影响堆肥过程中好氧微生物活性的主导因素，至少需要50%的水分含量才能确保堆肥的顺利进行（Liang等人，2003年；Richard等人，2002年）。这一结论与ISO 14855-1和ISO 14855-2等标准中对可降解塑料生物降解性的要求相符（ISO，2012年；ISO，2018年）。这些标准规定了测试过程中特定的、可控的物理化学参数，并通过比较测试塑料、参考物质（例如纤维素）以及普通堆肥之间的二氧化碳累积排放量来估算塑料的可降解性。根据EN 13432标准（EN，2000年），通过堆肥可回收的包装材料至少需要达到90%的生物降解率。

然而，Hahn和Hennecke（2023年）以及Strotmann等人（2026年）在他们的综述中指出，这些标准在可靠性方面存在多个缺陷，包括缺乏实际的现场条件数据、测试持续时间不足，以及对微生物过程的模拟研究缺乏。在欧洲和瑞士，可降解塑料可能会进入堆肥环境中，而这些环境中并未保证所需的物理化学参数得到满足；例如，在农业堆肥中，水分含量可能只有约30%（Berset和Stoll，2024年；G?chter等人，2025年；Goel等人，2021年；Kubowicz和Booth，2017年；Kupper和Fuchs，2007年）。尤其是在分散式或非受控的堆肥系统中，水分流失是一个主要问题（Anayet等人，2024年；Saqib和Sadef，2025年）。这一领域的生物降解测试和研究很少持续到6个月以上，且主要侧重于产品或方法之间的比较。例如，Hoshino等人（2007年）测试了MODA装置是否适合用于ISO 14855-2标准的测试；Funabashi等人（2009年）评估了根据ISO 10210标准（尺寸、形状）准备塑料样本对生物降解性的影响；Mohee等人（2008年）比较了两种特定塑料在好氧和厌氧条件下的生物降解性；Kassie等人（2026年）测试了一种假香蕉纤维素/PBS生物复合材料的生物降解性并对其进行了化学表征，所有这些实验的持续时间都在35到100天之间。Ahmed等人（2018年）、Gu（2021年）和Suresh等人（2025年）在他们的综述中提到了关于测试塑料性质和成分的信息不足的问题，并指出需要进一步关注相关微生物的特征、它们的代谢过程及其相关酶。大多数专注于此类微生物的研究是在中温环境下进行的（<30°C），如家庭堆肥或土壤环境，这些环境的温度低于工业堆肥的58°C（AFNOR，2015年；Emadian等人，2017年；Solano等人，2022年）。只有少数研究，如Al Hosni等人（2019年），包括了嗜热堆肥环境。这项研究比较了PCL、PHB、PLA和PBS在土壤和堆肥中10个月内的生物降解情况，并发现在50°C时Thermomyces lanuginosus真菌菌株在所有测试聚合物中的优势，但未研究细菌群落或相关酶。Hemati等人（2018年）分离出了嗜热细菌，并在嗜热堆肥条件下通过酶学检测评估了它们的纤维素酶和木质素酶活性，但他们并未将这些细菌暴露在塑料环境中。Solano等人（2022年）观察到在堆肥过程中，微生物结构从Firmicutes和Proteobacteria向Actinobacteriota转变，但他们的实验是在家庭堆肥条件下（24°C）进行的。

为了弥补目前关于工业堆肥过程中微生物活动、环境因素和可降解塑料之间相互作用的模拟数据和信息的不足，本研究重点关注了两种不同水分含量（约50%和约30%）对微生物群落结构、酶活性（纤维素酶和木质素酶）以及生物降解效率的影响。该实验使用了ISO 14855标准对一种可降解塑料袋进行了测试。我们假设较低的水分含量（30%）会导致生物降解率降低，同时微生物群落组成和酶活性也会发生变化，与最佳水分含量（50%）相比。这项工作代表了一种新的方法，将多种生物学和环境参数整合到一个完整的生物降解性测试中，从而有助于更好地理解控制塑料降解的机制，并为堆肥技术的优化和未来研究指明方向。

章节摘录

堆肥采样与特征分析

2023年底，我们从瑞士的一个工业堆肥站获取了大约3-4个月成熟的工业堆肥。这些堆肥的有机物质来源于花园废弃物（草、树叶、园林用木材，约占70%）和家庭有机废弃物（厨余垃圾）经过甲烷化处理后的残留物（约占30%），这些材料均在同一站进行处理（T. Servant，个人交流，2022年8月4日）。采集堆肥使用了一个18升的金属容器和一把铁铲。

堆肥特性

用于生物降解实验的堆肥符合表1中显示的标准要求。

表2报告了不同组别条件下的水分含量（MC）、pH值和电导率（EC）的测量结果（T₁₈₀和平均值）。

BA30组在整个实验过程中水分含量保持在30.1 ± 6.1%。其他组别——空白组、纤维素组和BA50组——的水分含量接近50%，尽管纤维素组的平均值略有偏离，为45.9 ± 4.2%。BA30组的pH值为9.2 ± 0.1。

结论

本研究的主要目标是评估水分含量（MC）对基于玉米淀粉的可降解塑料袋生物降解的影响。在30.1 ± 6.1%的水分含量下，二氧化碳的累积产量低于48.9 ± 1.5%的水分含量情况，这突显了水分含量作为关键参数的重要性。此外，即使在48.9 ± 1.5%的水分含量下，所测试的可降解塑料的生物降解率也不充分（81.6 ± 2.0%），这可能导致成熟堆肥中仍残留颗粒。这项研究表明有必要进一步评估……

CRediT作者贡献声明

Fanny C.D. Berset：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、资源管理、方法论设计、实验设计、数据分析、概念化。Wei Liu：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、验证、监督、资源管理、方法论设计、实验设计。Zoé Cimatti：数据可视化、验证、资源管理、项目协调、方法论设计、资金筹集、概念化。Damien Wilhelm：数据可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了日内瓦州、OCEV – 地质服务部、土壤与废弃物管理部门、日内瓦学术学会、Ernst和Lucie Schmindheiny基金会以及日内瓦大学的财政支持。作者还感谢Thomas Servant在获取堆肥材料及相关信息方面的帮助；感谢John Pote-Wembonyama提供微生物实验室和设施的使用；感谢Kayla Coppens在DNA提取方面的协助；感谢Frédéric Arlaud和Killian Kavanagh……

Fanny C.D. Berset|Wei Liu|Zoé Cimatti|Damien Wilhelm|Catherine Bertone|Serge Stoll