综述:好氧堆肥过程中微塑料的降解及其控制策略:综述

时间:2026年1月20日
来源:Process Biochemistry

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微塑料(MPs)在堆肥中的污染问题及控制策略研究。系统综述MPs在堆肥原料中的来源、分布特征及降解机制(物理、化学、生物),提出高温堆肥、添加剂和预处理技术提升降解效率,并分析其生态风险与未来研究方向。

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Ping Liu|Hongli Huang|Xifeng Qin|Yuewei He|Jiahua Liu|Jiachao Zhang|Yuan Yang|Lihua Zhang
湖南农业大学环境与生态学院,中国长沙410128

摘要

微塑料(MPs)对土壤环境、食品安全和人类健康构成了严重威胁。有机肥料的使用被认为是微塑料进入农业土壤的主要途径。关于微塑料在有氧堆肥过程中降解的研究仍处于早期阶段,其降解机制和控制策略也尚未得到充分研究。本文系统总结了堆肥原料(包括城市污泥、畜禽粪便、厨余垃圾和生活垃圾)中微塑料的来源、丰度和分布特征,并探讨了堆肥过程中微塑料的变化及其物理、化学和生物降解机制。此外,本文还介绍了提高微塑料降解效果的方法,如超高温堆肥、外加添加剂和预处理技术。最后,提出了在微塑料检测方法、降解机制、降解方法改进以及降解产物环境行为方面的研究方向,旨在为微塑料污染的控制和管理提供参考。

引言

微塑料(MPs)是指直径小于5毫米的塑料颗粒[1]。由于其低密度、小尺寸和高疏水性,微塑料通过风、降水及地表径流等方式在全球范围内传播。自2004年首次在海洋中检测到微塑料积累以来,它们已被发现在各种环境中,包括沙漠[2]、空气[3]和土壤[4]中。值得注意的是,陆地生态系统中的微塑料浓度估计是海洋环境的4-23倍[7]。
土壤是微塑料的主要储存库,这些微塑料造成的污染已成为一个亟待关注的问题。微塑料在土壤中的存在会破坏土壤结构,降低空气渗透性和保水能力,阻碍养分和水分的传输,从而影响植物生长[8][9][10][11]。此外,重金属和农药等有毒物质会吸附在微塑料表面,通过食物链的转移和积累进一步加剧土壤污染,对土壤生物和人类健康构成风险[10][12]。
在可持续农业发展的背景下,有机肥料的应用成为提高土壤肥力的关键策略。然而,有机肥料也被认为是土壤中微塑料的重要内源性来源[13][14][15]。有机肥料主要通过有氧堆肥或厌氧消化(AD)将有机固体废物转化为肥料。现有研究主要关注:材料和产品中微塑料的存在及其特性;微塑料对过程性能和产量的影响;微塑料在有氧堆肥或厌氧消化过程中的变化及降解机制;影响微塑料降解的因素;以及厌氧消化过程中微塑料污染的缓解策略[16][17][18][19][20][21][22][23][24][25]。例如,Zhang等人[16]系统研究了有机肥料中微塑料的存在及其在有氧堆肥和厌氧消化过程中的变化。有氧堆肥的高温环境和持续的好氧条件显著促进了微塑料的表面风化和降解。然而,关于堆肥过程中微塑料的来源、降解途径及强化减少策略的综合性系统研究仍然不足[17]。
因此,本研究系统回顾了微塑料有氧堆肥的最新研究趋势和进展,重点关注:(1) 堆肥原料中微塑料的存在及其特性;(2) 堆肥过程中微塑料物理化学性质的变化及降解机制;(3) 提高微塑料降解效果的方法,如超高温堆肥、添加剂和预处理;(4) 堆肥过程中微塑料的生态风险;(5) 当前研究的局限性及未来研究方向的探讨。

堆肥原料中的微塑料

根据用途,塑料可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料,其中通用塑料占总量的约80%[26][27]。目前常用的塑料产品主要由五种通用塑料组成:聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)。其中,PE和PP的应用最为广泛

堆肥过程中微塑料的变化

在机械力、紫外线辐射、高温环境、化学侵蚀和微生物活动等多种因素的影响下,堆肥系统中的微塑料会发生复杂的物理、化学和生物反应[58][68][69]。这些变化导致微塑料的物理化学性质发生显著改变,包括粒径分布、表面形态和分子结构[70]。具体变化见表2。

促进微塑料降解的方法

为降低微塑料通过堆肥系统进入土壤环境所带来的风险,研究人员采用了超高温堆肥、外加添加剂和预处理方法来研究其对微塑料降解的促进作用[44][83][116][117][118](图3)。表3总结了不同促进方法对微塑料物理化学性质的影响,表4列出了这些方法的优点和局限性

堆肥过程中微塑料污染的生态风险

堆肥过程中微塑料的生态风险主要源于其物理化学性质的变化,导致环境污染物吸附和扩散能力增强,以及降解过程中各种化学添加剂的释放。
微塑料具有很强的吸附能力,能够吸附多种环境污染物,如抗生素、重金属和内分泌干扰物[164][165][166][167]。堆肥过程

研究展望

微塑料常见于城市污泥、畜禽粪便等有机废物中。堆肥后,这些微塑料仍存在于产品中,对土壤生态安全构成潜在威胁。尽管微塑料污染已受到广泛关注,但仍存在许多挑战,需要从以下几个方面开展进一步研究

作者贡献声明

Ping Liu:撰写初稿、数据整理、可视化处理。 Hongli Huang:撰写、审稿与编辑、监督、资金筹集、概念构思。 Xifeng Qin:方法学设计、数据整理。 Yuewei He:软件应用、方法学设计。 Jiahua Liu:方法学设计。 Jiachao Zhang:监督、数据分析。 Yuan Yang:监督、资金筹集。 Lihua Zhang:监督、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了湖南省教育厅科学研究项目(项目编号:25A0230)、国家自然科学基金(项目编号:52200153)以及湖南省重点研发计划(项目编号:2022SK2087、2023NK2029)的支持。

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