可堆肥芳香脂肪族聚酯在工业堆肥过程中的破碎和矿化

 

Wendel Wohlleben, Markus Ruckel, Lars Meyer, Patrizia Pfohl, Glauco Battagliarin, Thorsten Huffer, Michael Zumstein, Thilo Hofmann

 

 

摘要

可堆肥塑料支持有机废弃物的分类收集。然而有些人担心分解过程中产生的碎片可能无法完全生物降解，在堆肥中留下持久的微塑料。我们在堆肥中添加了含有聚乳酸的芳香脂肪族聚酯颗粒，然后在工业堆肥条件下跟踪其分解情况。我们将所得结果与聚乙烯进行了比较。通过空白对照、峰形对照和预标记塑料，对提取方案和辅助显微方法（μ-拉曼和荧光）的有效性进行了评估。25-75 μm 大小的碎片代表了最明显的临时碎片峰，在工业堆肥 1 周后已达到这一峰值。粒径较大的颗粒达到峰值的时间较早，而粒径较小的颗粒达到峰值的时间较晚，且出现的频率较低。对于所有尺寸的颗粒，当90% 的聚合物碳转化为 CO₂ 时，所有尺寸的颗粒的数量和质量都降至空白水平。凝胶渗透色谱（GPC）分析表明，解聚是崩解的主要动力。观察到颗粒成分向较低聚乳酸比例的瞬时转变。生物降解过程中的塑料按预期的分解途径碎裂，但没有观察到任何大小的颗粒碎片堆积。

 

关键词

微塑料；生物降解；碎片；持久性；可堆肥

 

简介

根据欧洲环境署的数据，2020年欧盟34%的城市废弃物由生物废弃物组成。作为欧洲城市废弃物中最大的单一成分，如果利用得当，生物废弃物很有可能提供有价值的土壤改良剂（如堆肥）以及沼气（一种可再生能源），从而为循环经济做出贡献。经认证的可堆肥塑料是为特定应用而开发的，在这些应用中使用可堆肥塑料可带来好处。可堆肥塑料可使有机废物免于填埋和焚烧，减少有机废物流中的塑料污染，从而支持欧盟"绿色政策"的目标。经过认证的工业可堆肥塑料在应用过程中，如用作食品包装或生物废物收集袋，可在其预期使用寿命结束时可进行生物降解。在堆肥过程中，塑料制品的结构完整性不可避免地会受到破坏，可能会分解成微塑料和纳米塑料碎片，这也是生物降解的一个过渡阶段。研究调查了堆肥或土壤中传统塑料和生物降解塑料碎片的存在情况。然而，仍然缺乏对空白对照和峰值对照的系统研究。为表征传统微塑料需要进行验证，并可能需要针对土壤可降解和可堆肥塑料进行调整，因为这些塑料可能会在样品制备过程中意外降解。总之，经认证的可堆肥材料已被证明可以对收集的生物废弃物的数量及其质量产生积极的影响，但必须妥善解决其临时碎片问题。

 

图1 破碎动力学 (a) 通过芳香族脂肪族聚酯 (ecovio)（实线）、预标记聚酯（虚线）、纤维素（虚线-点）和 LDPE（点）的 CO₂演变跟踪生物降解。在指定的采样时间点（箭头）处重复样本进行片段分析。(b) 通过μ拉曼显微镜观察芳香族脂肪族聚酯碎片的化学选择性粒度分布。(c) 来自提取的预标记聚酯的红色（尼罗红）和绿色（Lumogen 黄）荧光叠加，再用尼罗红染色。中心的一个颗粒仅显示红色，因此是堆肥基质的一部分（两种标记的数量和尺寸分布见图 S5）。(d) 荧光显微镜（尼罗红）按大小和时间计算的颗粒数。

 

使用几种互补方法和适当的对照（即空白对照、加标对照和预标记对照）系统地测试了生物降解诱导的碎片。跟踪了由芳香族-脂肪族聚酯化合物与聚丙交酯 (PLA) 组成的经过认证的工业可堆肥塑料的 CO₂演变、尺寸分布和成分。重点研究了好氧堆肥。并对研究结果与低密度聚乙烯 (LDPE) 进行了比较。改进了关于堆肥中聚氨酯碎片的工作，基于氧化和密度的颗粒提取，拉曼显微镜（μ-拉曼）和荧光显微镜结合起来，用化学方法量化了约 200,000 个颗粒尺寸小至几个μm 的碎片的时间演化。索氏提取与凝胶渗透色谱 (GPC) 分析，可跟踪堆肥中全部聚合物含量的聚合物链断裂，并选择性地跟踪剩余碎片。

 

方法和材料

 

材料：微晶纤维素购于 Merck（CAS 号 9004-34-6）。LDPE Lupolen 1800 S 购于 LyondellBasell。可堆肥塑料可从 BASF (ecovio PS 1606) 购买，是 PLA 与芳香族脂肪族聚酯的复合物。初始加标控制所需的预标记版本是通过在小型挤出机 Rheomex CTW 100 上将 3 kgecovio PS 1606 与 3 g Lumogen F Yellow 083 在 180 °C 下混合而生产的。所有颗粒均经过冷冻研磨 (Retsch ZM 200)，筛分截距为 0.5 mm，并在真空烘箱中于 36 °C 下干燥 48 小时。

 

堆肥：根据 ISO 14855 在工业堆肥条件下进行生物降解实验。将 80 g 材料样品在 1200 g 堆肥（OWS 比利时）中于 58 ± 2 °C 下进行堆肥（详细信息参见辅助信息）。在重复培养的过程中，CO₂保持在3%以内（图S1）。摘要中的图表显示了在紫外线照射下堆肥开始时以及第 1、10 和 26 周时带有预先标记的 ecovio 碎片的样品。

 

图 2 分子水平的生物降解：(a) 仅剩余颗粒（密度萃取）中聚合物的归一化摩尔质量分布 (GPC)与 (c 和 d) 整个聚合物（索氏提取）相比。(b) 共聚物成分的化学特性（μ拉曼显微镜，总结在表S3-S5中），与图1b中的数量减少相一致。

 

萃取：使用μ拉曼和荧光显微镜的基于密度的片段方法。提取由多个步骤组成（图S2），分别检查与聚合物的相容性：(1) 通过滚筒均化，(2) 通过超声处理对 1 g 堆肥进行解聚，(3) 通过Fenton氧化去除有机基质，(4) 通过超声处理进行解聚，以及 (5) 在 1.4 g/cm³ZnCl₂ (Bernd Kraft) 中进行密度分离。根据 Stokes−Einstein 定律，在步骤 5规定了 3μm 粒径的检测下限。通过加标和空白对照确定提取效率为 78.2 ± 3.5%，如辅助信息中所述。对于共焦拉曼显微镜（WITec alpha 300R，785 nm 激光，30 mW，20 倍物镜），将样品转移到干燥的滤光片上。拉曼图像采集和分析使用 Suite FIVE 和 Particle Scout 软件。对于荧光显微镜检查，样品在孔径为 1.0μm 的疏水性 PTFE (FALP02500) 的 Fluoropore 膜过滤器上过滤，用 3 mL 乙醇和 500 ppm 尼罗红在过滤器上染色（30 分钟），用纯乙醇冲洗，并干燥，同时防止结块。每个堆肥样品都对 10,000 多个颗粒进行了表征。初始方法验证所需的 Lumogen Yellow 染料可能会迁移或降解；报道的破碎动力学取决于提取后用尼罗红染色纯聚合物的堆肥。有关提取、样品制备和显微镜检查的更多详细信息，请参阅辅助信息。

 

萃取：采用 GPC 的溶剂型索氏提取法。将堆肥 (5 g) 添加到提取套管 (MN 649, 33 × 94 mm, Macherey-Nagel) 中。使用 200 mL六氟异丙醇（HFIP，Apollo Scientific）溶解聚合物（120 °C，35 个循环），而堆肥保留在提取套管中。萃取后，真空除去溶剂，并将样品干燥过夜（60℃，真空）。或先将通过基于密度法提取的颗粒溶解在 HFIP 中。摩尔质量分布由 GPC（PL HFIPgel 柱，3−100μm，安捷伦）测定，如先前所述并记录在辅助信息中。

 

结果与讨论

 

在工业堆肥条件下通过生物降解实验对破碎过程进行了研究，允许跟踪释放的二氧化碳（图1a），从而对矿化程度进行精确采样。阳性对照纤维素的矿化曲线与历史对照的矿化曲线一致。ecovio PS1606 和预标记的 ecovio 的曲线在出 3 至 10 周之间出现了偏差，这是由于 PLA 在与染料复合过程中发生热降解。值得注意的是，图 1和2中的裂解动力学是没有预标记过程的环境相关情况（另请参见方法和材料）。大粒径微粉化材料对矿化速率有强烈的影响，其比用于纸张涂层（例如，用于可堆肥杯应用）的 25μm 薄膜高一个数量级。从 60% 矿化度开始，两条曲线都过渡到线性阶段，而不是达到平台期。此行为可能由于：(1)聚合碳被快速吸收到生物质中，然后缓慢矿化；(2) 限速表面侵蚀过程，或 (3) 由于PLA 在初始阶段快速水解，局部酸性 pH 值过渡性抑制代谢。在同一过程中，阴性对照 LDPE如预期那样没有发生降解（图 1a，虚线）。

 

四个采样点与生物降解过程的关键阶段相关：开始时、第 1 周（约 6% 矿化）、第 10 周（50% 矿化）和最后 26 周（90% 矿化）。

 

在碎片提取方面，我们使用橄榄油对部分生物降解的聚氨酯进行非常温和的工艺处理，但生物降解使聚合物的疏水性降低，而疏水性是提高提取效率的驱动力。在这里，我们结合超声处理来解聚附着在其他堆肥颗粒上的塑料碎片，氧化以去除有机背景并保证被拉曼光谱正确识别，密度分离以去除Fenton残留物和堆肥无机成分（图S2）。之前研究已经表明，芳香族-脂肪族聚酯的粒度分布、表面纹理和表面化学没有受到影响。在空白堆肥中，我们发现大部分堆肥碎片没有特定的拉曼光谱（归因于富含自体荧光木质素的颗粒、硅酸盐和脂肪酸酯）以及聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯和聚苯乙烯的碎片（表S1）。超声处理没有显著改变碎片的粒度分布（图S3）。使用超声处理进行解聚。检验酸性密度分离介质 ZnCl2的适用性：部分（1 周）堆肥聚合物在萃取后立即进行分析，然后在基于 ZnCl₂ 的萃取液中储存 1 个月后重新进行分析，结果相同（图 S4）。

 

为了建立破碎动力学，颗粒提取和μ-拉曼分析的结果按尺寸和化学成分进行分类(表S2−S5)，其中图1b显示了每个取样时间段，每块堆肥中被鉴定为芳香脂肪族聚酯的碎片的大小尺寸分布情况。在堆肥开始时，LDPE 和 ecovio 聚合物的碎片数量相当（每克堆肥近 10,000 个），然而 26 周后，ecovio 碎片数量减少了 3 个数量级，达到每克 3 ± 3 个（图 1b，绿色柱状显示了重复样品的尺寸分布，总计数为 5 个颗粒）。这一最终计数与每克 5 ± 5 的空白计数相比并不显着（表S1）。结果与 90% 的塑料碳被生物矿化为 CO₂ （图 1a）的结果一致，此外还显示可检测颗粒减少至空白水平。相比之下，LDPE 的数量仅减少了 7%，这对于重复分析的不确定性而言并不显着。

 

μ-拉曼显微镜对聚合物类型具有较高的选择性，并且具有比红外显微镜更好的空间分辨率，但在这方面仍然受到限制。荧光显微镜通过尼罗红染色提高空间分辨率并保留基本特异性。然而，尼罗红可能会对天然存在的堆肥颗粒或其他微塑料造成染色，从而增加颗粒计数。因此，我们用荧光染料（Lumogen Yellow）预先标记了相同的芳香族-脂肪族聚酯。Lumogen Yellow预标记和尼罗红后标记的荧光叠加（图S5a和1c），以及各自尺寸分布的极好匹配（图5b)，显示出足够的特异性。通过荧光分析与μ-拉曼显微镜相比，荧光显微镜对破碎动力学的分析更清楚地揭示了碎片尺寸依赖性（图 1d）：最大的碎片（125−2000μm）从一开始就单调衰减；75−125μm 的部分最初停滞不前，仅在 1 周后开始衰减；25−75μm 的部分从开始到 1 周增加了三倍，然后减少；最小可检测到的3− 25μm部分，在10周内持续增加，然后下降。在 26 周时，所有部分都恢复到基线（图 1d）。Accinelli 等人在土壤中也观察到了从较大尺寸到较小尺寸的持续再分布，但没有像这里一样对降解的最后阶段进行跟踪。

 

在25−75μm颗粒范围内，间歇性生成超过了较大颗粒的损耗，是由于它们的碎裂导致，而不仅仅是它们的缩小。然而，表面侵蚀引起的颗粒收缩可能足以解释 3− 25μm 粒径区的延迟生成和降解。荧光显微镜（图1d）的总数高于μ-拉曼显微镜（图1b），这是因为荧光显微镜的分辨率更高，对异种或同种团聚体中的颗粒的分割能力也更强。这些补充技术证实，所有可检测尺寸的片段均进一步降解，并且没有检测到颗粒的积累。小碎片的有效降解，是由于酶降解率与较小碎片的较大比表面积成比例关系，正如对酶表面侵蚀的预测，并通过实验证实。由于存在比例关系，在一定的尺寸和时间内，该尺寸的流出速率（通过侵蚀）应超过该尺寸的流入速率（通过较大尺寸的破碎），由此产生的尺寸分布应该向较小尺寸减少；应该会出现一个峰值。在我们的实验中，观察到了这个峰值，特别是在 25−75μm 的部分。纳米塑料碎片的积累（低于1μm）与破碎和侵蚀联合作用的模型不一致，但目前检测限为3μm的实验数据，不能排除其他机制产生的纳米塑料。

 

酶裂解会导致聚合物链断裂，这在摩尔质量分布中可以观察到。该参数可以选择性地针对粒子进行测量。我们发现，即使在 10 周后，当 50% 的原始聚合物碳转化为 CO₂ 时，构成碎片的聚合物仍类似于原始摩尔质量分布（图 2a）。相比之下，索氏提取堆肥中的颗粒和聚合物以其他形式存在（例如溶解、吸附、生物同化），显示摩尔质量逐渐降低且呈多分散状态（图2c）。因此，我们确定解聚是缩短的且亲水性更强的聚合物链从颗粒上脱离的驱动力，因为缠结力和范德华力减弱了。脱离的聚合物链可以被生物吸收并并转化为生物质和 CO₂ 。我们还通过使用带有折射率 (RI) 和紫外线 (UV) 检测的 GPC 确定了化合物中不同聚合物的贡献。所有聚合物的摩尔质量（GPC-RI，图 2c）与芳香族脂肪族聚酯的摩尔质量（GPC-UV，图 2d）之间的比较表明， PLA 的水解速度更快。这与剩余碎片的组成非常吻合，逐渐从原始的 ecovio 化合物转向 PLA 含量较低的碎片（图 2b）。这种转变归因于PLA在58°C的工业堆肥条件下，温度引起的快速水解。值得注意的是，成分的转变并不是“转化”，因为同时所有聚酯碎片的颗粒数（图1c）减少到空白水平。荧光显微镜不依赖于光谱库的拟合，它提供了更多证据来反驳产生持久性微塑料的假设，因为所有聚合物碎片的数量都减少到了空白水平（图 1d）。

 

环境影响

 

以工业堆肥中特定的、与环境相关的塑料为例，通过生物降解产生持久性微塑料的假设被推翻。没有观察到任何可检测尺寸的颗粒碎片的积累。25−75μm 尺寸范围是最明显的临时碎片峰值。通过检测限的度量转换，估计在 90% CO₂下，小于等于10的聚合物质量处于 3−25μm 碎片中。对于如此小的颗粒来说，侵蚀似乎占主导地位。这证实了 Degli-Innocenti 等人的预测。从崩解和矿化率推断，可堆肥塑料应该具有较低的微塑料排放潜力。在比较中我们证实了LDPE 具有较高微塑料排放潜力。显然，微塑料排放潜力或其他模型的概念必须根据随时间变化的颗粒大小，在粒径计数和质量指标方面进行改进。对总共 200,000 个颗粒的分析表明，碎片内部的聚合物系统地逐渐转变为较低百分比的 PLA，但μ-拉曼和荧光显微镜均未发现持久的碎片。现场测试观察到好氧堆肥厂的产出物中没有可堆肥塑料碎片，这与我们对破碎动力学的研究一致。根据我们的方法（图S6），LDPE碎片会持续存在（图 S6），现场测试再次证实了这一评估结果。由于处理不当，特别是厌氧/好氧过程中好氧停留时间过短，而产生的未完全降解碎片可能会进入农田。在这种情况下，由于测得部分降解碎片的特性，预计土壤中的生物降解仍将继续（图 2a、b）。我们可以设想通过核磁共振对微粒和非微粒聚合物馏分进行后续研究，并可能辅以同位素检测标记单体的方法。此外，还必须研究破碎动力学与共聚物成分、堆肥条件、塑料形状以及整个袋子和纸杯的关系。具体来说，必须验证破碎动力学与 CO₂ 演化的相关性（图 1）是否也适用于 25 μm 薄膜（袋中）或涂层（纸杯上）。将此处获得的结果与表面积厚 10 倍的颗粒相比较，碎片数量恢复到空白水平所需的堆肥停留时间将增加 10 倍，从 26 周减少到 2.6 周（袋装和纸杯），但这仍有待验证。