微塑料在食物垃圾厌氧消化中的双重作用：通过生物膜介导的微生物群落演替促进水解过程，但抑制甲烷生成

《Journal of Cleaner Production》：The dual role of microplastics in anaerobic digestion of food waste: Enhancing hydrolysis but inhibiting methanogenesis via biofilm-mediated microbial community succession

微塑料（PET/PVC）浓度依赖性影响食品废弃物厌氧消化，中低浓度（0.05%-0.5% TS）促进水解和甲烷产量增加15%-16%，但抑制产酸和甲烷生成菌活性，高浓度（5% TS）PVC抑制效果显著。生物膜富集水解菌（Anaerolineae）和产酸菌（Bacillus），上调磷酸转移系统（107.61%），形成利于水解的局部微环境。

　　

陈克进|黄玉子|张莉兰|李红|黄川

教育部三峡水库区域生态环境重点实验室，重庆大学，重庆，400045，中国

摘要

像聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氯乙烯（PVC）这样的微塑料（MPs）在食物垃圾（FW）中普遍存在，但它们如何影响厌氧消化（AD）的机制仍不清楚，尤其是在不同浓度下如何改变微生物的代谢途径。本研究调查了PET和PVC微塑料在食物垃圾厌氧消化过程中对微生物生态和过程性能的浓度依赖性影响（总固体含量为0.05%至5%）。微塑料显著提高了甲烷的累积产量，PET在总固体含量为5%时提高了15.38%，PVC在总固体含量为0.5%时提高了15.78%；然而高浓度的PVC（总固体含量为5%）减弱了这种促进作用。尽管微塑料加速了水解过程（淀粉和牛血清白蛋白的水解效率均显著高于对照组，p < 0.01），但酸化作用和甲烷生成作用受到了抑制。宏基因组分析显示，微塑料富集了水解细菌（例如Anaerolineae），但抑制了产氢甲烷菌（例如Methanobacteriaceae）和关键的甲烷生成酶途径，辅酶M的生物合成减少了6.71%。值得注意的是，微塑料促进了生物膜的形成，在塑料圈中选择性富集了水解细菌（Bacillus、Lachnospiraceae）和真菌（Aspergillus、Penicillium）。这些生物膜表现出上调的代谢功能，包括磷酸转移酶系统（增加了107.61%）和碳水化合物降解能力，从而创造了有利于水解而非甲烷生成的局部微环境。研究结果展示了食物垃圾来源的微塑料在厌氧消化中的双重作用，并强调了生物膜在塑造过程效率和微生物群落动态中的关键作用。

引言

厌氧消化（AD）是管理全球产生的大量食物垃圾（FW）的关键技术，每年产生的食物垃圾量约为10.5亿吨，并且这一数字还在持续增加（Han等人，2025年）。这一过程不仅减少了垃圾体积，还将有机物转化为富含甲烷的生物气体，有助于可再生能源的回收（Meng等人，2022年）。然而，由于微塑料（MPs）等污染物的存在，AD系统的效率受到了挑战，这些污染物主要通过垃圾收集和处理过程中食品包装的破碎进入反应器（Li等人，2022年；Porterfield等人，2023年；Zhang等人，2021年）。最近的研究发现，食物垃圾中的微塑料浓度从每千克总固体几千到一万多个颗粒不等（Porterfield等人，2023年）。仅对食物垃圾进行预处理就能产生数百万个微塑料颗粒，显著增加了进入AD系统的负荷（Hu等人，2024年）。因此，微塑料在AD过程中不可避免，它们可能与微生物群落和生化途径相互作用，可能破坏过程的稳定性和甲烷生成效率。了解这些微塑料的行为和影响对于优化AD处理性能至关重要。

AD过程是一个复杂的生物过程，包括四个连续且相互依赖的阶段：水解、酸化、乙酸生成和甲烷生成。AD的整体效率和稳定性受到多种操作和环境因素的影响，包括温度、pH值、有机负荷率以及抑制性物质的存在。不同微塑料的独特物理化学性质决定了它们在厌氧环境中的行为（Mohammad Mirsoleimani Azizi等人，2021年）。研究表明，25毫克/升的微塑料可能对甲烷生成几乎没有影响或仅有轻微的促进作用，这可能是由于为微生物提供了额外的生长表面；而100毫克/升的微塑料通常通过微生物毒性、传质限制或营养物隔离等机制产生抑制作用（Qiao等人，2024年）。对于其他颗粒物质（如生物炭）也有类似的研究结果，它们可以吸附微生物和营养物质，从而改变反应微环境（Devi和Eskicioglu，2024年）。尽管这些发现表明微塑料可能会干扰AD中的微生物活动和代谢途径，但这些干扰的具体性质和机制基础仍需进一步研究。

微塑料干扰AD过程的程度主要受其内在物理化学性质的控制，包括聚合物类型、表面特性以及添加物浸出的可能性。例如，常见于食品包装（如保鲜膜）的PVC可以通过释放有毒的双酚A（BPA）来抑制微生物活动（Wei等人，2019a）。相比之下，广泛用于饮料瓶和容器的PET可能通过释放二丁基邻苯二甲酸酯（DBP）来阻碍水解和酸化过程（Wei等人，2019b）。此外，PET更易于形成生物膜，与混合消化物相比，可以为微生物创造独特的生态位（Guo等人，2025年）。鉴于PET和PVC不仅是食物垃圾流中检测到的最普遍的微塑料之一，而且它们的化学性质和表面特性也有所不同（Huang等人，2024年），它们是研究微塑料对厌氧消化影响的理想模型颗粒。

与相对均匀的废水活性污泥相比，食物垃圾具有更高的有机含量、更复杂的组成（淀粉、蛋白质和脂质的比率不同），以及可能的更高盐度和油脂含量。这些组成差异可能导致AD系统与微塑料之间的不同相互作用，形成不同的微生物群落结构，并最终改变微塑料影响AD过程的机制（Mohammad Mirsoleimani Azizi等人，2021年）。更重要的是，传统的AD研究通常通过直接从混合消化物中提取微生物来表征微生物群落结构。然而，在AD过程中，某些微生物更倾向于在微塑料表面定植，形成具有独特群落结构和功能特征的生物膜。尽管如此，关于AD系统中与微塑料相关的生物膜群落的组成和功能的研究仍然有限，现有研究主要集中在其他方面，如微塑料的生物降解（Nie等人，2024年；Tang，2023年）或抗生素抗性基因的水平转移（Luo等人，2023年；Xiang等人，2024年）。迄今为止，很少有研究探索微塑料生物膜在AD中的功能作用。此外，大多数关于微塑料表面生物膜的研究仅关注细菌，忽略了古菌和真菌的贡献。因此，全面了解微塑料表面生物膜（应包括细菌、古菌和真菌）对于充分阐明微塑料影响AD的机制至关重要。

为了解决当前的研究空白，本研究旨在系统地研究PET和PVC微塑料对食物垃圾厌氧消化的影响及其潜在机制。将使用与环境相关的高浓度（总固体含量的0.05%至5%）进行批次实验。选择的浓度范围从0.05%（与环境相关）到5%总固体（压力测试）。虽然5%总固体超过了当前食物垃圾中的典型水平，但这种高浓度可以模拟消化器中潜在的长期积累，并清楚地阐明微生物群落对极端微塑料压力的响应机制。将通过甲烷产量、有机物质去除效率和酶活性来评估系统性能。使用宏基因组和扩增子测序（16S和ITS rRNA）分析混合消化物和与微塑料相关的生物膜中的微生物群落结构和代谢功能。通过将过程监测与分子分析相结合，这项工作旨在提供关于微塑料及其表面生物膜如何影响食物垃圾消化中微生物生态和代谢效率的新见解。

部分摘录

食物垃圾、微塑料和接种物的来源

食物垃圾来自重庆大学周围的食堂、水果店和当地市场。使用搅拌机将其均匀化。食物垃圾中的碳水化合物、蛋白质和脂质含量分别为76.84%、19.77%和1.02%。接种物来自柠檬酸厌氧消化器中的厌氧颗粒污泥。食物垃圾和接种物的基本物理化学性质见表S1。PET微塑料从杜邦（美国）购买，PVC微塑料从上海获取

微塑料提高了甲烷的累积产量，但限制了生成速率

图1显示了25天厌氧消化（AD）期间各实验组甲烷累积产量的时间变化。所有添加了微塑料的组的最终甲烷产量都高于对照组（表S3），表明所研究的微塑料对AD具有促进作用。在同一类型的微塑料中，PET-5%总固体和PVC-0.5%总固体的组实现了最高的甲烷累积产量，分别增加了15.38%（53.66 ± 6.52毫升甲烷）

结论

本研究表明，食物垃圾来源的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氯乙烯（PVC）微塑料（MPs）对厌氧消化的影响高度依赖于浓度和聚合物类型。在0.5%总固体的中等浓度下，这两种微塑料通过促进有机底物的水解，使甲烷累积产量增加了约15%至16%。相比之下，5%总固体的高浓度PVC浓度减弱了这种促进作用

CRediT作者贡献声明

陈克进：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，正式分析，概念构思。黄玉子：撰写 – 原稿，正式分析，数据管理。张莉兰：监督，资源管理，项目管理。李红：项目管理，方法学，研究。黄川：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了关键技术研究与发展计划（授权号：2019YFC1906104，中国）、重庆市投资集团（SJPPP-2024-025）和重庆环境卫生集团有限公司的创新项目的支持。