《Environmental Pollution》：Long-term cigarette butts’ decomposition over 10 years reveals multi-stage microbial, chemical, and toxicological transformations
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香烟屁股十年分解研究表明经历快速初期和缓慢后期，氮丰富环境加速降解至84%，释放挥发性有机物并引发双峰生态毒性，揭示长期环境风险。
朱利亚诺·博纳诺米（Giuliano Bonanomi）|朱塞佩皮娜·雅科米诺（Giuseppina Iacomino）|丹妮拉·德埃斯波西托（Daniela D’Esposito）|莫里利亚·玛丽亚·蒙蒂（Maurilia Maria Monti）|安东尼埃塔·西西利亚诺（Antonietta Siciliano）|露西亚·桑托鲁福（Lucia Santorufo）|玛丽莎·斯潘皮纳托（Marisa Spampinato）|米凯利娜·鲁奥科（Michelina Ruocco）|玛丽亚·维多利亚·韦里洛（Maria Vittoria Verrillo）|里卡多·斯帕奇尼（Riccardo Spaccini）|艾哈迈德·M·阿卜杜勒-加瓦德（Ahmed M. Abd-ElGawad）|路易吉·F·迪科斯坦佐（Luigi F. Di Costanzo）|穆罕默德·伊德贝拉（Mohamed Idbella）
那不勒斯费德里科二世大学农业科学系，意大利波尔蒂奇（Portici，NA）80055
摘要
香烟烟头（CBs）是全球最常见的废弃物，由于分解缓慢且会释放有毒物质，因此对环境造成长期危害。本研究首次全面探讨了香烟烟头在十年内的分解过程，分析了质量损失、化学变化、微生物动态以及在不同环境条件下的生态毒性。分解过程分为多个阶段：最初的质量快速减少，随后由于醋酸纤维素过滤层的抵抗作用而进入一个漫长的缓慢分解阶段。然而，在富含氮气的条件下，香烟烟头的质量损失显著增加，在十年内可达到84%，这与醋酸纤维素的广泛降解有关。值得注意的是，生态毒性评估显示，在吸烟后立即出现一个峰值，在分解中期出现第二个峰值，这突显了老化香烟烟头所带来的持续生态风险。这项研究为了解这种普遍存在的污染物的环境命运和影响提供了重要见解，强调了制定有效缓解策略的必要性。
引言
香烟烟头是全球最常见的垃圾之一，存在于城市、公园、海滩等公共场所（Green等人，2022年；Novotny和Slaughter，2014年）。尽管电子香烟的使用日益增加，但香烟的过滤嘴或残余物仍然是全球垃圾的重要来源（Beutel等人，2021年；Parker和Rayburn，2017年）。据估计，每年有数万亿个香烟烟头被丢弃，对环境造成了严重的污染（Green等人，2022年；Novotny和Slaughter，2014年；Van Schalkwyk等人，2019年；Shen等人，2021年）。此外，国际政策框架越来越重视废弃烟草和尼古丁产品的环境影响。世界卫生组织《烟草控制框架公约》第十一届缔约方大会（COP11）的背景文件指出，数万亿个废弃的香烟烟头以及一次性电子香烟的迅速增加是塑料和有害垃圾的重要来源，这促使人们考虑采取监管措施，包括限制塑料过滤嘴的使用（WHO FCTC，2024年）。
香烟烟头主要由醋酸纤维素（CA）组成，这是一种经过工业处理的植物纤维素制成的塑料纤维，每个过滤嘴包含约15,000根微纤维，并包裹在薄纸层中（Novotny等人，2009年）。香烟烟头体积小、重量轻且移动性强，使得收集工作十分困难。尽管政府、非政府组织（NGOs）和公民团体采取了清理措施，但香烟烟头仍容易通过风和水传播，导致污染范围广泛，尤其是在旅游旺季的沿海海滩（Torkashvand等人，2020年；Asensio-Montesinos等人，2021年）。最近的调查显示，城市区域的香烟烟头密度高达每平方米130个，某些海滩每100米处有多达1,600个香烟烟头（Green等人，2022年；Asensio-Montesinos等人，2021年）。
香烟烟头不仅数量众多，而且具有化学上的持久性。醋酸纤维素具有很强的抗降解性，模型研究表明其分解时间可能长达14年（Green等人，2022年；Joly和Coulis，2018年；Harris，2011年）。这种抗性源于较高的醋酸替代度（约2.45），虽然增强了其过滤功能，但抑制了微生物的降解（Fischer等人，2008年）。有效的生物降解通常需要通过化学水解将替代度降低到大约1个单位，这一过程在自然条件下进行得很慢（Fischer等人，2008年）。虽然紫外线辐射可以在受控条件下加速脱乙酰化并促进分解（Jang等人，2007年；Ishigaki等人，2002年），但在实际环境条件下关于完整香烟烟头降解的证据有限。我们的研究（Bonanomi等人，2020年）是少数此类研究的例子之一，报告称香烟烟头在五年分解后的质量损失为52%至81%；然而，超过这个时间范围的数据尚未获得。
香烟烟头在环境中的扩散对其毒性有重要影响。接触雨水后，会形成渗滤液，将这些物质释放到周围环境中，包括土壤和水体。这种渗滤液会污染土壤和水体，阻碍植物生长，破坏水生生态系统，并损害整个生态系统的健康（Lee和Lee，2015年；Green等人，2019年）。此外，香烟烟头中的醋酸纤维素微纤维还会影响人类外周血单核细胞的活力，并引发炎症免疫反应（Soltani等人，2025年）。鉴于这些危害，根据一系列毒性和生态毒性评估，香烟烟头被欧洲法规归类为危险废物（Rebischung等人，2018年）。香烟烟头还会渗出多种有害物质，包括挥发性和非挥发性化合物，如尼古丁、重金属、多环芳烃（PAHs）、邻苯二甲酸酯、芳香胺、BTEX化合物（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）以及微塑料（醋酸纤维素纤维），对野生动物和生态系统构成严重威胁（Kurmus和Mohajerani，2020年；Micevska等人，2006年；Akhbarizadeh等人，2021年；Araújo和Costa，2019年；Arat，2024年）。然而，大多数关于香烟烟头的生态毒性研究都集中在新鲜香烟烟头和短期水生渗滤液暴露上，而针对环境老化或分解后的香烟烟头的研究仍然有限（Dobaradaran等人，2021年；Arat，2024年）。此外，当考虑老化相关因素时，这些研究往往基于短期的渗滤/暴露期或现场收集的老化香烟烟头，而不是受控的长期分解实验（例如，Dobaradaran等人，2024年）。据我们所知，结合生态毒性终点进行的多年分解研究尚不存在。
为填补这一空白，我们开展了首次专门跟踪香烟烟头十年分解过程的长期研究。这项跨学科研究旨在考察香烟烟头的物理分解、化学变化、微生物组动态以及在不同环境中的微观形态变化。我们在两年和五年时间间隔内，研究了不同微生物活性和养分可用性的基质上的分解情况（Bonanomi等人，2015年；Bonanomi等人，2020年）。我们的发现表明，在氮缺乏的环境中（如沙滩、铁路道砟和铺砌的道路），香烟烟头的降解程度有限，因为微生物分解者难以获取关键养分。相比之下，在氮丰富的环境中（如土壤、沉积物或富含养分的水体），香烟烟头经历了更广泛的分解，这得益于能够利用外部氮源的微生物群落。值得注意的是，这些环境中的香烟烟头的碳氮比（C/N）比养分缺乏的环境更高，反映了香烟烟头与其周围环境之间的复杂生物地球化学相互作用（Bonanomi等人，2020年）。尽管人们对香烟烟头的环境影响有了越来越多的认识，但仍有一些关键问题尚未得到解答。在真实的环境条件下，香烟烟头的分解是如何进行的？随着分解过程中化学变化的发生，其生物学效应如何变化？这些空白继续限制了我们对香烟烟头污染长期生态后果的全面理解。我们假设分解会在5到10年内持续进行，导致碳氮比进一步降低。我们首次还研究了香烟烟头在整个分解过程中释放的挥发性有机化合物（VOCs）的分布情况。作为我们长期研究的十年里程碑，这项研究提供了对香烟烟头分解及其环境影响的深入评估。我们使用扫描电子显微镜（SEM）结合元素映射（EDX）技术评估了物理降解和微观形态变化，提供了结构变化的详细可视化。通过五种模式生物的生物测定严格测试了生态毒性，从而全面评估了对生物系统的潜在影响。为了更好地了解微生物的参与情况，我们还使用高通量测序技术分析了与分解中的香烟烟头相关的微生物组。本研究的具体目标是：（i）绘制香烟烟头十年的分解动态；（ii）研究分解过程中氮是否从周围土壤转移到香烟烟头；（iii）测量香烟烟头碳化学成分和乙酰化水平的变化；（iv）探讨微生物组组成和多样性的变化；（v）分析挥发性有机化合物的排放情况并评估整个分解过程中的生态毒性。
研究片段
香烟烟头的收集、制备和分解实验
使用一种常见商业品牌的香烟（普通类型，带过滤嘴）进行人工吸烟，并作为对照样本。吸烟后未分解的香烟烟头的化学成分如下：碳（C）浓度为40.11 ± 0.46%，氮（N）浓度为0.21 ± 0.12%，氢（H）浓度为5.54 ± 0.56%，碳氮比为192.39 ± 12.11。
香烟烟头的分解在实验室和野外条件下都进行了研究。实验室实验的设计旨在消除...
香烟烟头的质量损失和氮动态
香烟烟头的质量损失受土壤类型、培养条件和分解时间的影响，这一点通过广义线性模型（GLM）得到了验证（表S2）。质量损失遵循四个阶段的分解模式：在分解的第一个月内，初始质量迅速减少了约15-20%，这是由于外部醋酸纤维素层的快速降解（图1）。然而，在接下来的两年中，分解速率相当缓慢...
讨论
我们的十年实验表明，香烟烟头经历了复杂的分解过程，分为四个阶段。这一序列在所有实验条件下都是一致的，无论是否存在土壤或培养环境。最初阶段仅持续几周，特征是质量迅速减少了约20%。这种早期的质量减少主要归因于基于纤维素的外层包装层的降解和可溶性化合物的渗出。
结论
这项十年研究表明，香烟烟头的分解是一个多阶段过程，主要受氮的可用性和醋酸纤维素的乙酰化程度的调节。在氮缺乏的环境中，分解迅速稳定，即使经过十年的环境暴露，纤维的结构也几乎保持完整。相比之下，在氮丰富的土壤中，会发生显著的化学变化和质量损失，十年后质量损失可达到84%。尽管如此...
CRediT作者贡献声明
安东尼埃塔·西西利亚诺（Antonietta Siciliano）：撰写——审稿与编辑、软件使用、方法论、调查、数据分析。露西亚·桑托鲁福（Lucia Santorufo）：撰写——审稿与编辑、软件使用、方法论、数据分析、数据管理。玛丽莎·斯潘皮纳托（Marisa Spampinato）：撰写——审稿与编辑、软件使用、数据分析、数据管理。米凯利娜·鲁奥科（Michelina Ruocco）：撰写——审稿与编辑、数据可视化、验证、方法论、数据分析、数据管理。路易吉·F·迪科斯坦佐（Luigi F DI COSTANZO）：撰写——初稿撰写、数据可视化、验证、监督。
未引用的参考文献
Ariza和Leatherman，2012年；Belzagui等人，2021年；ISO，2012年；Montalv?o等人，2019年；Suruchi和Khanna，2011年；世界卫生组织《烟草控制框架公约》，2025年。
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。
致谢
本项工作得到了欧盟——下一代EU计划第4任务第2部分（CUP B53C22002150006）和ITINERIS——意大利综合环境研究基础设施系统的资助。该资助支持了本文中提到的与挥发性有机化合物（VOCs）相关的研究活动。
