《Bioresource Technology》：Microplastics divert carbon flow in anaerobic digestion: a meta-analysis reveals product-specific effects
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微塑料通过调控厌氧消化碳流向影响产甲烷与挥发性脂肪酸生成，其作用机制因塑料类型（传统/可降解）和操作条件（浓度、尺寸、温度）而异，提出“毒性应激”与“底物扰动”双模型解释。
蒋聪|庞瑞瑞|王文月|谢冰|詹敏|罗静阳|苏英龙
华东师范大学生态与环境科学学院，上海有机固体废物生物转化工程研究中心，上海200241，中国
摘要
微塑料（MPs）是有机废物流中普遍存在的污染物，这些废物通常会被用于厌氧消化（AD）过程。然而，它们对资源回收的净效应仍是一个有争议的问题，相关研究结果存在矛盾。为了解决这一模糊性，我们进行了一项严谨的三级随机效应荟萃分析，综合了55项研究的数据，以阐明微塑料对AD过程的具体影响。分析表明，微塑料改变了碳的流动路径：它们抑制了甲烷生成（甲烷产量减少了6.29%），同时促进了酸生成（总挥发性脂肪酸（VFAs）增加了23.73%），其中丙酸、丁酸和戊酸的含量分别增加了12.74%、14.55%和22.18%。这表明微塑料并非简单地抑制AD过程，而是改变了碳的流动方向，而这种改变取决于聚合物的类型。微塑料对AD过程的影响可以用“毒性应力与底物扰动”这一新假设模型来解释。传统聚合物（如聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯）会产生毒性应力，抑制甲烷生成并导致VFAs积累；相反，可降解聚合物（如聚乳酸、聚丁酸对苯二甲酸乙二醇酯）则作为缓释碳源，改变底物供应，从而促进甲烷生成。此外，这些效应受到微塑料浓度、粒径以及温度等操作条件的显著影响，有时甚至可以逆转抑制作用。本研究将微塑料从简单的抑制剂重新定义为工程生态系统中的活性生物地球化学因子。通过明确微塑料的具体影响，本研究为理解微塑料对AD过程的作用提供了理论基础，从而提高了基于AD的资源回收的韧性和效率。
引言
微塑料（MPs）的全球普遍存在对工程生态系统构成了严峻挑战，而厌氧消化（AD）系统成为其积累的关键但脆弱的环节（Zhang等人，2020年）。AD技术在实现“废物转能源”转化和推进“循环经济”中起着核心作用。它不仅能有效处理有机废物，还能产生可再生能源（沼气）和重要的平台生化产物（如VFAs），从而显著提高资源回收效率（Otieno等人，2024年）。然而，有机废物（如污泥）中每千克干污泥含有约2.27×10^4个微塑料颗粒，食物废物中的微塑料浓度估计为0.025%至5.6%（Li等人，2018年；Porterfield等人，2023年）。微塑料的大量涌入给这一过程带来了重大不确定性和潜在风险。由于其物理和化学活性，微塑料可以与厌氧微生物群落及关键生化过程发生复杂相互作用，可能破坏AD系统的稳定性和整体平衡。
尽管相关研究激增，但现有科学文献对微塑料对AD影响的描述仍存在混乱和矛盾，阻碍了对其影响的全面准确评估。首先，微塑料可能对AD产生截然相反的影响。例如，许多研究表明传统聚合物（如聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）会抑制甲烷生成（Cheng等人，2023年；Sun等人，2022年），而其他研究则发现聚酰胺6（PA6）等聚合物的存在会增加甲烷产量（Chen等人，2021年）。更根本的是，这些研究揭示了一个关键悖论：微塑料抑制最终产物甲烷的同时，往往会导致关键代谢中间产物（VFAs）的积累。这表明微塑料可能不是简单的抑制剂，而是改变AD系统中碳流动的代谢调节剂。
随着可降解塑料作为传统塑料替代品的广泛采用，它们在有机固体废物中的比例不断上升。然而，它们在AD系统这一复杂生化环境中的命运和影响远非单一且良性，为相关讨论增添了新的复杂性。例如，虽然传统塑料（如PE）会抑制甲烷生成，但可降解塑料（如聚丁酸对苯二甲酸乙二醇酯（PBAT）却能促进甲烷生成（Nie等人，2024年）。相反，PVC等塑料会促进VFAs积累，而PBAT则能抑制这种积累（Zhao等人，2024年；Zhen等人，2023年）。传统塑料（如PVC、PE）作为外源性应力源，通过渗滤液释放和氧化应激产生毒性；由于甲烷生成菌的耐受性较低且代谢恢复速度较慢，其破坏作用更为显著（Cheng等人，2023年；Liu等人，2023年）。相比之下，可降解塑料（如聚乳酸（PLA）、PBAT）可能作为内源性代谢扰动因子，作为非传统的缓释碳源，改变底物竞争并改变微生物群间的代谢平衡（Nie等人，2024年；Zhao等人，2024年）。除了聚合物类型外，决定毒性应力还是底物扰动占主导作用的关键环境和操作因素仍有待确定。
为了解决这些根本性悖论，本研究采用严谨的荟萃分析方法，系统地评估和解决了以下三个关键问题：首先，定量确定微塑料对甲烷和VFAs产量的净效应；其次，通过系统分析传统聚合物与可降解聚合物的相反效应，验证“毒性应力与底物扰动”模型的合理性；在此基础上，我们试图阐明传统塑料与可降解塑料之间效应的显著差异，这对未来的废物管理策略至关重要。最后，我们分析了一系列调节变量（如塑料浓度、粒径、类型和环境条件），以建立这些复杂相互作用的预测框架。通过解答这些问题，本研究旨在将微塑料从简单的污染物重新定义为工程生态系统中的活性调节因子，为微塑料管理策略提供理论基础。
文献研究与研究选择标准
文献研究与研究选择标准
我们使用Web of Science和Scopus数据库进行了截至2025年5月31日的系统文献搜索。搜索查询使用了布尔运算符，结合了与微塑料和厌氧消化相关的关键词，例如：（“Plastic” OR “Macroplastic” OR “Microplastic” OR “Nanoplastic” OR polymer OR polyethylene OR PVC）AND （“Anaerobic” AND （“Acid production” OR “Methane production” OR “Acid” OR “Methane”）。初步搜索共获得了1,832篇研究文章。
微塑料从根本上重塑厌氧消化中的碳流动
我们的荟萃分析综合了55项原始研究的数据，全面而准确地量化了微塑料对AD过程的影响。微塑料并非均匀地抑制AD过程；相反，它们诱导了代谢途径的显著且系统的变化，使碳的流动从甲烷生成转向酸生成。总体而言，甲烷和乙酸的生成受到抑制，而总VFAs、丙酸、丁酸和戊酸的生成则得到促进。
结论
这项荟萃分析为微塑料在AD过程中的作用提供了定量解释。微塑料并非简单的抑制剂，而是根据不同情境调节碳流动的因子。虽然它们通常抑制甲烷生成，但同时促进了VFAs的积累。关键在于，聚合物类型是决定这种作用的主要调节因素。传统塑料使碳从甲烷生成路径转向VFAs生成路径，而可降解塑料则产生相反的效果，促进甲烷生成。
作者贡献声明
蒋聪：撰写初稿、可视化、方法论设计、数据整理、概念构建。
庞瑞瑞：撰写、审稿与编辑、可视化、验证。
王文月：研究实施、数据整理。
谢冰：监督、资金获取。
詹敏：撰写、审稿与编辑、监督。
罗静阳：撰写、审稿与编辑。
苏英龙：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取。
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
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42577422、42377410）、上海自然科学基金（项目编号：22ZR1420700）、中央高校基本科研业务费、上海有机固体废物生物转化工程研究中心（项目编号：19DZ2254400）以及山西水污染防治与利用重点实验室的财政支持。詹敏还获得了韩国国家研究基金会（NRF）的基础科学研究计划资助。
