来自可堆肥包装的残留可生物降解微塑料，在大规模工业堆肥过程中能够完全在土壤中降解

本研究开发了一种检测堆肥中残留可生物降解微塑料（BMPs）的分析协议，结合热水解聚、密度分离和过氧化氢消化，并通过傅里叶变换红外光谱进行鉴定。实验表明，PLA和PBAT在工业堆肥中近完全降解，而PHBV因结构限制降解率仅为49.9%。后续土壤试验证实残留BMPs仍能矿化，支持可堆肥包装材料的环境相容性。

谢克·阿布·库利巴利（Cheick Abou Coulibaly）| 桑德拉·多梅内克（Sandra Domenek）| 保罗·格鲁埃（Paul Greuet）| 马蒂厄·乔治（Matthieu George）| 帕斯卡尔·法布尔（Pascale Fabre）| 拉斐尔·奥拉斯（Rafael Auras）| 埃马纽埃尔·加斯塔尔迪（Emmanuelle Gastaldi）

UMR IATE，蒙彼利埃大学（Université de Montpellier），INRAE，蒙彼利埃农业研究所（L’institut Agro Montpellier） – 地址：2 Place Pierre Viala, 34000 Montpellier, 法国

摘要

在有机废物管理中，可降解塑料的使用日益增加，因此需要可靠的分析工具来验证其完全生物降解性和环境安全性。本研究基于之前的一项全规模堆肥实验，该实验监测了认证可降解包装在工业堆肥条件下的分解情况。我们优化并验证了一种专门的分析方案，用于提取、识别和量化堆肥中残留的可降解微塑料（BMPs）。该方法结合了分级预浓缩、热水解聚、CaCl₂密度分离、H₂O₂温和氧化消化以及傅里叶变换红外（FTIR）显微镜鉴定技术。检测到PBAT的碎片大于35微米，PLA和PHBV的碎片大于27微米。在全规模工业堆肥过程中，PLA（98.4%）和PBAT（92.6%）几乎完全降解，而由于咖啡胶囊的物理结构限制，PHBV仅部分降解（49.9%）。在受控土壤条件下进一步评估了残留的BMPs，结果表明PBAT和PHBV具有环境可降解性且持久性较低。这些发现填补了分解与矿化之间的空白，提供了从堆肥到土壤过程中生物降解的定量证据，支持了可降解包装材料的环保性。

引言

在欧洲，生物废物占城市固体废物的34%（EEA，2020年），其可持续管理是欧盟循环经济战略的关键目标。自2024年1月起，欧盟法规要求对生物废物进行源头分类（EU，2018年），并促进通过堆肥和厌氧消化进行处理（EU，2024年），从而将废物转化为有价值的产品，如用于土壤改良的堆肥。可降解塑料（如聚乳酸[PLA]、聚（丁酸-对苯二甲酸）[PBAT]和聚（3-羟基丁酸-3-羟基戊酸）[PHBV]）越来越多地被用作传统聚合物的替代品，实现了食物废物和包装材料的共同收集（EU，2018年）。这些材料设计用于在工业堆肥条件下生物降解，最终通过微生物作用矿化为二氧化碳（CO₂）、水和生物质。如果管理得当，它们有助于生物废物的收集，并减少聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）等不可降解塑料对堆肥流的污染（Edo等人，2022年；Puyuelo等人，2013年）。

在之前的研究中（Gastaldi等人，2024年），我们证明在工业堆肥过程中添加1.28%的认证可降解包装不会干扰堆肥过程或降低堆肥质量。四个月后，这些材料的平均损失率为98%，生态毒性评估符合有机农业标准（EU，2019年；NF，2006年）。然而，大规模评估主要关注宏观降解情况，未涉及最终堆肥中微塑料残留物的存在和去向。最近的研究表明，即使是认证的可降解塑料也可能无法完全矿化，残留的可降解微塑料（BMPs）可能在土壤中持续存在。例如，Accinelli等人（2020年）发现可降解包装袋的碎片在土壤中可检测到超过两年，而Ruffell等人（2025年）报告称成熟堆肥中仍含有可测量的BMPs。这些发现引发了人们对BMPs长期环境持久性的担忧，以及需要量化其堆肥后转化情况的必要性。

另一方面，生物降解过程包括碎片化，随后由微生物将其转化为二氧化碳（CO₂）、水和生物质。实验室呼吸计量法广泛用于在受控条件下量化二氧化碳的产生（Astm，2021年；Bher等人，2023年；ISO，2018年；Yu和Flury，2024年）。然而，这种设置在开放的工业堆肥场中不切实际，因为大规模试验依赖于质量损失测量。这种方法可能会高估生物降解程度，因为法规仅要求检测大于2毫米的可见塑料碎片（En，2000年；EU，2019年），而某些国家（如德国）则设定1毫米的限值（Wiesner等人，2023年）。因此，较小的微塑料往往无法被检测到，导致对其实际生物降解性能的理解不完整。

微傅里叶变换红外（µ-FTIR）光谱法是最常用的微塑料检测和量化技术（Dukek等人，2024年；Kotar等人，2022年；Ruffell等人，2025年）。准确分析需要高效去除有机物。现有的针对传统聚合物开发的方案通常使用强氧化或碱性处理方法，这些方法对可降解聚合物不适用，因为可降解聚合物更容易受到氧化和水解的影响。堆肥中的高有机物含量还会堵塞过滤器并干扰红外光谱（Ciréderf Boulant等人，2025年；Gouda等人，2025年）。尽管芬顿试剂（Fenton’s reagent）可以增强有机物的去除效果（Steiner等人，2024年），但它可能会降解PLA、PBAT和PHBV（Ruffell等人，2025年；Zhao等人，2019年）。过氧化氢（H₂O₂）是一种较温和的替代方法，但仍会留下5-13%的未降解有机物（Ciréderf Boulant等人，2025年）。

总体而言，这些研究强调了在堆肥中准确量化BMPs的分析挑战，即必须在不损坏聚合物的情况下去除有机残留物。优化这一步骤对于确保可靠测量和正确解释可降解塑料的生物降解情况至关重要。

基于之前一项专注于认证可降解包装分解的全规模工业堆肥实验，本研究引入了一种专门的分析方案，用于提取、识别和量化堆肥中残留的可降解微塑料（BMPs）。因此，本研究旨在：（i）优化和验证该方案；（ii）通过明确考虑小尺寸BMPs来重新评估全规模工业堆肥条件下的生物降解情况；（iii）评估残留BMPs在土壤中的进一步生物降解和持久性。

部分内容摘录

工业堆肥操作参数和堆肥采样

堆肥样本来自一个采用开放式堆肥方式的工业堆肥设施（坐标：43°38′ N, 3°15′ E）。从同一批生物废物中采集了两批堆肥样本。第一批（“材料组”）添加了1.28%的认证可降解包装，以模拟实际污染水平；第二批（“对照组”）未添加任何物质。两组堆肥在相同的堆肥条件下进行处理。

BMPs提取方案的优化

对十六种提取方案的比较评估表明，在密度分离前进行解聚显著提高了提取效率（图1）。不进行解聚（方案#1）时，分离率低于40%；而包含解聚步骤的方案（例如方案#2）的回收效率超过97%。堆肥在空气干燥过程中会形成团聚体，必须在密度分离前将其解聚，以释放其中困住的微塑料碎片。

结论

本研究提出了一种经过验证、可重复使用的分析方案，用于量化堆肥中的可降解微塑料（BMPs）。优化后的方法结合了热水解聚、CaCl₂密度分离（ρ = 1.4 g/cm³）和温和的H₂O₂消化（30%，50°C，12小时），随后通过µ-FTIR进行鉴定。该方法在富含有机物的基质中表现出高效率，能够检测到PBAT大于35微米、PLA和PHBV大于27微米的颗粒，同时不会损坏聚合物。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本文期间，通讯作者使用了DeepL和ChatGPT辅助翻译和语言润色。使用这些工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对最终版本的手稿负全责。

CRediT作者贡献声明

谢克·阿布·库利巴利（Cheick Abou Coulibaly）：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，方法论设计，数据整理，概念构思。桑德拉·多梅内克（Sandra Domenek）：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，验证，项目管理，方法论设计，数据整理，概念构思。保罗·格鲁埃（Paul Greuet）：方法论设计，数据整理。马蒂厄·乔治（Matthieu George）：撰写 – 审稿与编辑，验证，项目管理，数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究是CIPROP项目的一部分，得到了PNR-EST、ANSES（法国食品、环境与职业健康安全局）的财政支持；BIOFRAG项目得到了LabEx NumEv和蒙彼利埃大学的财政支持；Mineral项目得到了AgroParisTech基金会的支持，该基金会还资助了CoPack慈善合作项目。作者感谢Syndicat Centre Hérault（法国阿斯皮兰）团队的支持。