以下是按要求完成的论文解读，依次回答4个问题。 --- **中文标题** 中温条件下堆肥与蚯蚓堆肥对PLA/PBAT生物塑料的崩解效率、肥料品质及第120天细菌群落结构的比较研究

《Environmental Challenges》：Lab-scale comparison of PLA/PBAT disintegration in composting and vermicomposting: fertilizer quality, phytotoxicity, and day-120 bacterial community profiles

　　

聚乳酸（PLA）和聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）生物塑料的广泛使用带来了处置挑战，因为它们在家庭环境中的降解往往不完全。本研究比较了堆肥和蚯蚓堆肥（使用非洲夜蚯蚓 Eudrilus eugeniae）在降解与有机废物（卷心菜和牛粪）混合的PLA/PBAT方面的效率。研究人员进行了为期120天的实验室规模中温实验，以评估堆肥腐熟度、生物塑料碎裂化和植物毒性（发芽指数，GI）。结果显示，两种处理均实现了腐熟，将C/N比降至20以下，而蚯蚓堆肥积累了更高的C/N比、总磷（TP）、总钾（TK）、钙（Ca）和阳离子交换量（CEC）。重金属浓度远低于最大允许限值。此外，120天蚯蚓堆肥表现出更好的总体效果，GI达到136%，而堆肥为101%。采用Pearson相关系数分析了GI与若干理化指标之间的关系。在生物塑料降解方面，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）证实了聚合物键的断裂和结构劣化。崩解率略有差异，蚯蚓堆肥为59.91%，堆肥为55.96%。在120天的混合物中发现了赖氨酸芽孢杆菌属（Lysinibacillus）和梭菌属（Clostridium），它们可能通过在塑料表面分泌胞外酶而促进聚合物降解。然而，尽管发现了线丝菌属（Litorilinea），但由于中温条件未达到玻璃化转变温度（Tg）（约60℃），完全降解受到阻碍，这明确表明堆肥温度可以达到嗜热水平。总之，虽然在120天内实验不能完全降解PLA/PBAT，但在所研究条件下，蚯蚓堆肥在提高堆肥腐熟度、最小化植物毒性和加速聚合物碎裂方面表现出数值上更高的性能。

**论文解读**

**一、研究背景与问题**

塑料污染已成为全球性环境挑战，传统塑料固有的抗降解特性加上废弃物管理不善，导致塑料碎片和微塑料在陆地和水生环境中不断累积，甚至在大气和人体中被检出。为应对这一问题，可生物降解和可堆肥塑料的研发受到越来越多的关注。其中，PLA/PBAT是包装领域应用最广泛的生物可降解聚合物共混物之一，PLA提供刚度和强度，PBAT贡献柔韧性和韧性，二者共混可改善材料的力学性能和加工性。然而，PLA/PBAT的降解行为受其组成、材料结构和环境条件的强烈影响。当前面临的核心问题是：尽管可堆肥塑料通常用于食品包装并可随食物残渣进入有机废物流，但在家庭堆肥等实际环境中的降解往往不完全；同时，消费者对“生物塑料”和“可堆肥”标签的理解模糊，缺乏明确的废弃物管理指导。因此，明确不同生物处理方式对PLA/PBAT降解及有机废弃物转化的影响具有重要现实意义。

**二、研究内容与意义**

本研究在实验室规模中温条件下，开展了为期120天的常规堆肥与蚯蚓堆肥对比实验，处理对象为与卷心菜和牛粪混合的PLA/PBAT生物塑料。研究评估了有机物分解程度和堆肥品质指标、第120天PLA/PBAT的崩解度及聚合物化学结构和表面形貌的变化；同时，在相应的无PLA/PBAT处理中评估了发芽指数，并分析了第120天样品的细菌群落多样性和分类组成。研究结果表明，蚯蚓堆肥在提高堆肥腐熟度、降低植物毒性和促进聚合物碎裂方面具有数值上的优势，为理解中温条件下PLA/PBAT在两种生物处理体系中的归趋提供了综合的实证数据。

**三、主要技术方法概述**

研究人员采用的技术方法主要包括：（1）依据ISO 20200:2023标准指导反应器尺寸、生物塑料试样制备及崩解度测定，构建堆肥和蚯蚓堆肥实验体系，共设28个独立反应器，基质以干重计89:11的牛粪与卷心菜配比，PLA/PBAT添加量为初始干重的1%；蚯蚓堆肥系统引入成年非洲夜蚯蚓25克/反应器。（2）挥发性固体（VS）含量测定采用550℃灼烧6h方法，按ISO 20200公式计算VS减少率（R）。（3）理化分析包括pH、电导率（EC）、有机碳（Walkley-Black法）、总氮（凯氏定氮法）、总磷（钼钒酸盐法）、总钾及重金属（酸消解后原子吸收光谱法测定）。（4）发芽指数（GI）以绿豆为指示植物测定。（5）第120天四种反应器各取一个样品进行16S rRNA基因扩增子测序，使用Illumina NGS平台，经DADA2去噪、ASV聚类和NCBI 16S数据库比对进行细菌群落分析。（6）PLA/PBAT崩解度通过2 mm筛分及干重称量计算质量损失百分比。（7）聚合物表征采用ATR-FTIR光谱和FE-SEM，聚焦C-O（1200–900 cm^-1）、C=O（约1740 cm^-1）和C-H（3000–2800 cm^-1）谱带变化。（8）统计学分析采用Pearson相关系数。

**四、主要研究结果**

**4.1 挥发性固体减少量**

两种处理均实现了有机物的持续分解。所有30天及之后时间点的反应器均符合ISO 20200规定的R≥30%标准。在堆肥系统中，第120天CCP的R值达到70.7%，为所有反应器中最高。蚯蚓堆肥因每30天添加新鲜卷心菜而出现VS和R值波动。

**4.2 营养元素与微量金属**

在C/N比方面，初始混合物C/N比为27.1，至第120天堆肥系统降至16，蚯蚓堆肥降至18–19，均符合腐熟标准（泰国皇家公报规定C/N<20）。总氮、总磷和总钾均呈持续上升趋势，其中蚯蚓堆肥中TK和Ca的积累显著高于堆肥——Ca达到12.61–12.70%，约两倍于堆肥。阳离子交换量从初始约289 cmol(+)/kg分别升至堆肥的423.1 cmol(+)/kg和蚯蚓堆肥的384.6–386.7 cmol(+)/kg，反映了腐殖物质的合成。重金属方面，Cd和Pb在所有阶段均未检出污染；Cr虽有检出但来自原料卷心菜，所有系统最终重金属水平均低于泰国农业标准允许限值。值得注意的是，含PLA/PBAT处理中检出Ni（14.04–37.78 mg/kg），可能来源于PLA中用作添加剂的氧化镍。

**4.3 发芽指数**

初始GI为70.67%，低于80%腐熟阈值。第15天后所有处理GI均超过80%，表明植物毒性持续降低。至第120天，蚯蚓堆肥GI反弹至135.98%，高于堆肥的101.00%。Pearson相关分析显示，在CCP中GI与pH呈显著正相关（r=0.873，p=0.023），与EC呈显著负相关（r=?0.814，p=0.049）；在CVP中，GI与所有理化指标均无统计学显著相关性，反映出基质定期添加及蚯蚓活动引发的非线性和时滞效应。

**4.4 DNA测序与细菌群落分析**

第120天，堆肥样品以假单胞菌门（Pseudomonadota）、芽孢杆菌门（Bacillota）和绿弯菌门（Chloroflexota）为主，蚯蚓堆肥以Bacillota占优势，拟杆菌门（Bacteroidota）相对丰度较高。Alpha多样性显示堆肥的Shannon指数（9.21–9.40）高于蚯蚓堆肥（8.19–8.25）。在属水平上，堆肥中Lysinibacillus、Litorilinea和Vicinamibacter相对突出，蚯蚓堆肥则富含梭菌属（Clostridium）和Romboutsia。PLA/PBAT的存在与Lysinibacillus和Clostridium相对丰度的调节有关。这两种属被广泛认为是重要的塑料际定殖者，能够分泌酯酶和脂肪酶等胞外水解酶，裂解PBAT的酯键和PLA的主链。SEM图像在回收的PLA/PBAT碎片表面观察到杆状细胞样结构和微生物聚集体，为表面定殖提供了补充证据。

**4.5 FTIR分析**

FTIR分析表明，第120天时C=O伸缩振动峰（约1712 cm^-1）和C-O-C伸缩振动峰（1017 cm^-1）的吸光度均降低，且峰位发生微小偏移，证实了酯键水解的发生。C-H伸缩振动峰（3000–2800 cm^-1）吸光度亦明显降低，表明脂肪族聚合物主链的物理损失。BVP120中吸光度降低程度较BCP120小，可能归因于蚯蚓堆肥系统每30天添加卷心菜引发的碳分解代谢物阻遏现象，即微生物优先利用易降解碳源，抑制了降解塑料所需的胞外酶合成。

**4.6 扫描电子显微镜分析**

SEM图像显示，初始PLA/PBAT表面呈现不均匀且略粗糙的形貌，符合PLA（晶态）与PBAT（无序态）的双相结构特征。降解随时间推进，第15–30天出现大量深入基体的裂纹，第60天出现较大孔洞，第60–120天表面分层脱落。蚯蚓堆肥中的降解迹象出现更快且更显著。

**4.7 崩解度**

PLA/PBAT在第120天的平均崩解率为：堆肥55.96%，蚯蚓堆肥59.91%，二者平均值差异不显著，但BVP120的结果范围为46.86–72.97%，上限高于BCP120的42.10–64.60%。崩解不完全的主要原因在于实验维持的中温条件（约25±3℃）始终低于PLA的玻璃化转变温度（Tg约60℃），PLA相处于玻璃态，水渗透和酯键可及性受限，水解断链速率降低。此外，PBAT中对苯二甲酸丁二醇酯芳香族链段和晶态区域比脂肪族己二酸丁二醇酯链段更耐降解，即便PBAT的Tg约?35℃且处于橡胶态，也不足以保证快速完全崩解。

**五、总结与结论**

本研究通过120天实验室规模中温实验，系统比较了堆肥和蚯蚓堆肥对PLA/PBAT-有机废弃物混合物的处理效果。结果表明，两种系统均能有效促进有机质腐熟，使C/N比降至20以下。蚯蚓堆肥在总钾、钙积累以及后期发芽指数方面表现更优，GI在第120天约为136%，堆肥仅为101%。在生物塑料方面，FTIR和SEM证实了聚合物链的水解断裂和表面形貌的显著劣化，崩解率超过50%；第120天细菌群落中检测到的溶杆菌属和梭菌属被认为可能参与聚合物降解，但这些属的作用应被视为有待验证的假设。崩解不完全归因于中温条件未达到PLA的Tg，限制了水解速率。总体而言，蚯蚓堆肥在研究条件下表现出数值上更优的堆肥腐熟度、更低的植物毒性和更快的塑料碎裂化。研究结论强调，在评估可生物降解塑料的寿命终点管理时，必须综合考虑处理温度、材料组成和微生物生态因素的交互作用。