在模拟的全规模堆肥温度条件下，生物塑料在生物废弃物堆肥过程中的生物降解作用——作为一种清洁且可持续的有机回收方法

本研究评估了聚乳酸（PLA）、淀粉（FS）、聚丁二酸（PBS）和纤维素（Cel）四种生物塑料在模拟真实堆肥温度曲线下的降解性能，并测试漆酶（Laccase）的增强效果。结果表明：在包含升温、高温维持和降温阶段的真实堆肥条件下，FS和Cel的降解优于PLA和PBS；添加漆酶使总有机物去除率提高近一倍，显著缩短机械性能丧失和碎片可见时间，但完全降解仍需优化工艺。该研究为制定生物塑料堆肥管理规范提供了数据支持。

马格达莱娜·扎博罗夫斯卡（Magdalena Zaborowska）|巴托什·普乔尔斯科夫斯基（Bartosz Pszczółkowski）|多萝塔·库利科夫斯卡（Dorota Kulikowska）|伊雷娜·沃伊诺夫斯卡-巴雷拉（Irena Wojnowska-Baryła）|卡塔兹yna·贝尔纳特（Katarzyna Bernat）

波兰奥尔什丁瓦尔米亚-马祖里大学（University of Warmia and Mazury in Olsztyn）地球工程学院环境生物技术系，地址：Słoneczna Str. 45G，奥尔什丁

摘要

根据ISO标准条件，这些生物塑料被标记为可堆肥和可生物降解的（使用成熟堆肥（C））。然而，在实际条件下，生物塑料并不是与堆肥一起处理，而是与生物废弃物（B）一起处理，即可生物降解的有机物，这可能会影响生物塑料的降解效率。本研究调查了含有聚乳酸（PLA）、淀粉（FS）、聚（丁酸丁二醇酯）（PBS）和纤维素（Cel）的生物塑料在模拟的全尺度堆肥温度曲线（CTP：1周升温至60°C，3周保持在60°C，4周降温至室温，5周保持在室温）下的90天好氧生物降解情况。为了加速生物塑料的降解，实验中加入了漆酶（B + L）。以使用堆肥（C）的情况作为对照。研究了三个生物降解指标：i) 可以测定机械性能的时间；ii) 塑料碎片可见的时间；iii) 完全生物降解所需的时间。结果显示，与仅使用生物废弃物（B）相比，加入漆酶（B + L）后，生物塑料更短时间内失去了机械性能并且碎片更早不可见。此外，漆酶显著增强了生物塑料的降解效果，表现为总有机物的去除量几乎是仅使用生物废弃物（B）时的两倍，最终有机物的含量分别为52.34%和60.65%。尽管前两个生物降解指标对于科学理解降解机制很重要，但从技术应用的角度来看，生物塑料的完全降解最为关键。因此，在CTP条件下，生物塑料的降解顺序为：FS > Cel > PBS > PLA。这些发现有助于进一步了解通过堆肥实现生物塑料的清洁生物降解，并可能为可持续生物塑料管理提供指导。

引言

近年来，人们对环境可持续性的关注日益增加，促使人们开发和使用生物塑料（BIO-Ps）作为传统石油基塑料的替代品。然而，生物塑料使用的增加给这些材料的废弃物管理带来了重大挑战。一种可能的处理方法是将其与传统塑料一起收集，然后进行机械回收。但这种方法存在很大困难，主要是因为难以区分生物塑料和传统塑料。这可能导致塑料或生物塑料回收物的污染，从而降低其质量（Staplevan等人，2024年）。此外，使用先进的分类技术来区分生物塑料和传统塑料需要较高的成本（Bartolucci等人，2023年；Rasheed等人，2024年）。

生物塑料常用于食品包装、食品器具（杯子、碗、瓶子、餐具、吸管）或生物废弃物袋，它们被标记为可生物降解的，因此这些产品的废弃物很可能与生物废弃物一起收集。因此，最可行的处理方法似乎是有机回收，即堆肥或好氧消化。许多研究表明，生物塑料在厌氧条件下的生物降解能力有限（Bernat等人，2021年；Shrestha等人，2020年；Zaborowska等人，2021a，2021b年）。此外，在堆肥后的中温厌氧消化过程中，生物塑料的降解程度也非常有限，导致最终堆肥中残留了大量的生物塑料（Cucina等人，2021年）。

考虑到这一限制以及堆肥是全球废物处理设施中最常用的处理可生物降解废物的方法（Hemidat等人，2018年），如果调整堆肥条件以促进生物塑料的降解，这将是一种有前景的方法。因此，在本研究中，生物塑料的好氧降解是在模拟堆肥的条件下进行的。需要强调的是，生物塑料的生物降解性通常是在标准条件下测试的，这些条件一般是在58°C的恒定温度下使用成熟堆肥作为接种剂，持续时间不超过六个月，这符合ISO标准（ISO 14855–1）的要求。迄今为止，大多数实验室中的生物塑料降解测试都是在恒定温度下进行的（Han等人，2023年；Kalita等人，2021年）。研究人员还使用了分离的微生物培养物或纯酶（Kitamoto等人，2023年；Myburgh等人，2023年）。然而，这些条件与实际条件不同；全尺度堆肥提供的条件通常比标准测试中的条件更为有利。重要的是，在实际堆肥过程中温度会波动。全尺度堆肥通常包括三个连续的温度阶段：（i）初始阶段，持续几天，此时生物活性开始并升温；（ii）热ophilic阶段，持续几周，温度保持在55–60°C；（iii）成熟阶段，持续1–2个月，堆肥逐渐冷却至室温。欧盟议会和理事会的法规（EU）2019/1009规定了最佳生物降解所需的特定温度曲线，特别是堆肥过程中的卫生要求。这些曲线包括至少保持70°C的温度3天，至少保持65°C的温度5天，至少保持60°C的温度7天，或至少保持55°C的温度14天。由于目前还缺乏对代表全尺度过程的温度条件下生物塑料降解性的全面评估，因此有必要在特定的堆肥温度曲线下测试生物塑料的降解性，本研究正是进行了这样的测试。

尽管生物塑料由可生物降解的成分制成，如淀粉、纤维素、聚乳酸（PLA）、壳聚糖、明胶或海藻多糖（Chandra等人，2024年；Zaborowska和Bernat，2023年），但制造商通常不公开其详细成分。此外，塑料中常常添加添加剂以改善其功能性能（Chandra等人，2023年，2025年），这可能会延长生物塑料的降解时间或阻碍降解过程。因此，在技术条件下进行堆肥时，生物塑料只会失去机械性能，即虽然破碎但仍能在较长时间内保持可见。已知某些酶在降解多种底物（包括聚合物）方面具有活性，这些酶被广泛研究以探讨其在促进生物降解中的潜在作用。例如，漆酶是一种木质素分解酶，在木质纤维素原料的堆肥过程中常见，它负责分解难以降解的木质素。漆酶主要由属于Basidiomycetes、Ascomycetes和Aspergillus的真菌产生，已被提出用于改善多种化合物的降解。漆酶能有效降解多环芳烃（Wang等人，2022a年）、抗生素（Mora-Gamboa等人，2022年）、废水中的工业染料（Naseem等人，2023年）和聚乙烯（PE）（Tiwari等人，2023年；Ghatge等人，2020年）。漆酶还能氧化聚乙烯链中的碳氢化合物，生成易于接触的羰基区域（Kang等人，2019年；Ruan等人，2023年）。研究表明，漆酶的底物特异性较低，因此它可以与多种底物结合并相互作用（Bhardwaj等人，2022年）。由于漆酶甚至能改善难降解化合物的降解，本研究假设漆酶也能提高生物塑料的降解性，尤其是那些市场上销售但成分不明的生物塑料。

如上所述，当生物塑料与生物废弃物混合并在可能出现在堆肥过程中的温度条件下使用时，确定其生物降解性是必要的。这是在有机回收背景下促进生物塑料可持续降解的重要一步。本研究的一个新颖之处在于使用漆酶来增强生物塑料的降解。该研究提供了关于四种市售生物塑料与生物废弃物在全尺度堆肥温度曲线（CTP）下生物降解的新见解，并探讨了添加漆酶对降解过程的影响。作为对照，使用了标准条件下推荐的成熟堆肥。

CTP堆肥过程中使用的材料

实验中使用了四种市售生物塑料：（1）基于聚乳酸（PLA）和（2）淀粉（FS）的废弃物袋，以及（3）基于聚（丁酸丁二醇酯）（PBS）和（4）纤维素（Cel）的食品包装。这些材料的有机物质（OM）含量以灼烧损失率（LOI）表示，分别为干物质的99.87%、99.27%、89.87%和99.59%。制造商未公开这些材料的详细成分。生物废弃物是从……的容器中收集的

在CTP条件下生物塑料好氧降解过程中有机物质含量的变化

在实际堆肥条件下，温度的升高是由于有机物质的矿化作用，这是一个放热反应，释放的能量以热的形式储存起来，从而进一步提高温度。我们实验中的温度变化并非由微生物活动或生化转化引起。因此，在本研究中，90天生物塑料与堆肥（C）、生物废弃物（B）或漆酶（B + L）共同降解的温度是模拟全尺度堆肥（CTP）的结果。

结论

由于温度始终较高且缺乏成熟阶段，标准条件下的生物塑料降解结果可能导致对其降解性的高估。本研究进一步推动了在模拟堆肥条件下（即与生物废弃物一起并在堆肥温度曲线下）评估生物塑料降解性的工作。四种市售生物塑料在标准条件下与堆肥一起降解

CRediT作者贡献声明

马格达莱娜·扎博罗夫斯卡（Magdalena Zaborowska）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，研究设计，资金获取，数据管理，概念构思。巴托什·普乔尔斯科夫斯基（Bartosz Pszczółkowski）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，研究。多萝塔·库利科夫斯卡（Dorota Kulikowska）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，概念构思。伊雷娜·沃伊诺夫斯卡-巴雷拉（Irena Wojnowska-Baryła）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，概念构思。卡塔兹yna·贝尔纳特（Katarzyna Bernat）：撰写 –

资助

本研究由波兰国家科学中心资助（资助编号：2021/41/N/NZ9/01750）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。