可生物降解的生物基塑料在城市土壤中的原位降解：以日本东京中部的PLA、PHB、PHBH和Bio-PBS为对象的初步研究

《Science of The Total Environment》：In situ degradation of biodegradable bio-based plastics in urban soil: Pilot study for PLA, PHB, PHBH, and Bio-PBS in central Tokyo, Japan

可生物降解塑料在东京城市土壤中的降解研究表明，添加食物废物使PHB和PHBH重量损失显著提升（76.9-91.1%），而PLA和Bio-PBS几乎无降解（98.3-100%）。热重分析和红外光谱显示材料结构发生必要降解变化。茶包指数（TBI）显示低稳定化因子与高分解率相关。完全降解需数年，与食物废物堆肥可加速降解。

　　

小林彩奈 | 原田良树 | 三富良晴

日本东京中央大学科学与工程学院城市生态实验室

摘要

可生物降解的生物基塑料（BBPs）正逐渐取代传统塑料，以减少对环境的负面影响。然而，尽管城市可能是BBP废弃物的主要来源，但很少有研究测试这些塑料在城市土壤中的生物降解性。在本研究中，我们将聚乳酸（PLA）、聚羟基丁酸酯（PHB）、聚（3-羟基丁酸-3-羟基己酸酯）（PHBH）和生物基聚丁酸琥珀酸酯（Bio-PBS）与食物废弃物一起或单独埋设在土壤中，持续120天。通过重量损失测量、热重/差热分析（TG-DTA）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）来评估这些塑料的降解情况，并将重量损失数据与茶包指数（TBI）进行比较，以指示土壤中的微生物活性和有机物的降解情况。研究发现，添加食物废弃物后，PHB和PHBH的相对残留质量从91.1–99.5%降低到76.9–91.1%。虽然PLA和Bio-PBS的大部分仍然存在（98.3–100%），但TG-DTA和FTIR分析表明它们在土壤中发生了结构变化，这些变化是生物降解所必需的。TBI得出的低稳定因子（S）和高分解速率（k）值与PHB和PHBH较高的降解速率相关。我们的研究结果表明，如果本研究中观察到的PHB和PHBH的平均降解速率得以应用，那么这些塑料在东京城市土壤中的完全降解可能需要数年时间；而通过将BBPs与食物废弃物一起堆肥，这一时间可能会缩短。未来的研究应测试不同气候区和土壤类型中BBPs的多年降解情况，并比较TBI和BBPs的重量损失。

引言

自1950年以来，全球共产生了63亿吨塑料，其中79%最终被填埋或进入自然环境（Geyer等人，2017年），成为对生态系统产生负面影响的微塑料来源（De Souza Machado等人，2018年）。许多传统塑料由石油制成，会释放二氧化碳（Geyer等人，2017年；Zheng和Suh，2019年），这增加了对可生物降解的生物基塑料（BBPs）的需求。BBPs由可再生生物资源制成，可以被微生物分解为水和二氧化碳（Haider等人，2018年；Iwata，2015年）。

BBPs的主要目标之一是替代一次性传统塑料产品，如餐具、食品包装和垃圾袋，以及用于渔业和农业的产品（Emadian等人，2016年；Haider等人，2018年）。尽管餐具和食品包装占传统塑料废弃物总量的大约一半（Geyer等人，2017年），但以往的研究主要集中在地膜上（Dharmalingam等人，2015年；Li等人，2014年；Sintim等人，2019年，2020年）。此外，也有研究测试了BBPs在农业区和森林中的降解情况（Boyandin等人，2013年；Dharmalingam等人，2015年；Li等人，2014年；Sintim等人，2019年，2020年），但尚未在城市地区进行相关研究。由于城市是塑料废弃物的主要来源（Jambeck等人，2015年），因此在城市内部管理塑料废弃物是一种可持续的废物管理方式（Ghisellini等人，2016年）。虽然用于地膜的BBPs会被翻入土壤或与庭院废弃物和/或粪肥一起堆肥，但用于餐具和食品包装的BBPs可以先埋入土壤或与食物废弃物一起堆肥，然后作为土壤改良剂使用（Accinelli等人，2021年；Lu等人，2023年）。了解BBPs在食物废弃物堆肥和城市土壤中的降解情况非常重要。

国际认证系统根据ISO、EN和ASTM的实验室测试方法（例如EN 13432，2000年；ASTM D6400，2012年；ISO 17556，2019年）对BBPs的生物降解性进行了分类（“在堆肥中”、“在土壤中”、“在水中”）。然而，BBPs在实验室和野外条件下的生物降解过程可能有所不同，因此需要通过在不同气候区和/或土壤类型中进行野外埋藏实验来了解其降解特性（Folino等人，2020年；Sintim等人，2020年）。在野外实验中，通过测量BBPs的表面积、FTIR光谱、热重分析、核磁共振和分子量分析（Sintim等人，2020年）以及重量损失来评估其降解情况（Beltrán-Sanahuja等人，2021年；Kamiya等人，2010年；Moreno等人，2017年），因为在野外土壤条件下使用ISO方法难以测量BBPs降解产生的CO?。

土壤中微生物降解的指标有助于比较不同气候区和/或土壤类型中BBPs的降解特性。研究土壤有机质（SOM）降解的一种标准化方法是茶包指数（TBI），该方法通过比较商业绿茶和红茶茶包在土壤中培养90天后的重量损失来进行评估（Keuskamp等人，2013年）。通过重量损失值计算出的稳定因子（S）和分解速率（k）可以比较不同环境和土壤条件下SOM的降解特性（Keuskamp等人，2013年）。验证TBI是否有助于理解BBPs在土壤中的降解特性非常重要，因为该指标已在农业、水生和城市生态系统中得到应用（Blanco等人，2023年；Djukic等人，2018年；Duddigan等人，2020年；Gmach等人，2024年；Keuskamp等人，2013年；Pino等人，2021年；Teo等人，2020年），而这些领域可能是BBP废弃物的主要储存库。

我们在日本东京市中心进行了原位实验，测量了与食物废弃物一起或单独埋设在土壤中的BBPs和TBI茶包的重量损失，并在土壤埋藏实验后使用FTIR和TG-DTA对BBP样品进行了分析。本研究旨在评估BBPs在城市环境中的降解速率和过程，比较含有食物废弃物的BBP样品与不含食物废弃物的样品之间的降解速率，以及BBP样品与TBI茶包之间的降解速率。我们提出了以下3个假设：H1）不同类型的BBPs在城市土壤中的降解速率可能不同；H2）含有食物废弃物的BBPs在土壤中的降解速率可能与不含食物废弃物的样品不同；H3）具有较高TBI值的处理组中，BBPs的重量损失可能更大。

研究设计

总共7种不同的材料被埋设在土壤中，包括4种商业BBP吸管、1种纤维素纸吸管（对照组）和2种TBI茶包（绿茶和红茶），这些材料有的与食物废弃物（切碎的新鲜卷心菜）一起埋设，有的单独埋设（表1）。所有4个实验地点均位于中央大学都市校区内（表2）。每个样品重复5次，并在埋藏0天（未埋藏的样品）、30天、60天、90天和120天后收集。样品分析包括重量

含与不含食物废弃物的BBPs的重量损失

在野外样品埋藏120天后，4种BBP中有3种（PHB、PHBH和Bio-PBS）在所有4个地点的土壤中都表现出重量损失（图1，表3）。BBP样品在埋藏前后的照片见补充信息（图S1）。对于不含食物废弃物的BBP样品，PHB的相对残留质量在95.5%（地点3）到99.5%（地点2）之间，PHBH的相对残留质量在91.1%（地点3）到98.8%（地点4）之间。对于含有食物废弃物的BBP样品，

食物废弃物的影响

在本研究中，PLA和Bio-PBS样品无论是否含有食物废弃物，其重量损失都很小或几乎没有；而对于PHB和PHBH样品，含有食物废弃物的样品在每个地点的重量损失都大于不含食物废弃物的样品。这支持了假设H1，同时也部分支持了假设H2。Sintim等人（2020年）也将BBP地膜分别埋设在堆肥和土壤中，发现所有样品在堆肥中的降解程度更高（18周内降解85–99%），而在土壤中的降解程度较低（36个月内降解26–83%）。

局限性与启示

在将BBPs与土壤和食物废弃物混合的野外实验中，很难长期测量BBPs转化产生的CO?量。尽管实验室测试BBP降解潜力的标准方法使用的是CO?排放量的测量，但我们发现本研究中使用的降解测量方法（重量损失、FTIR、TG-DTA）可以作为一种替代方法。

作者贡献声明

小林彩奈：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、数据可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论设计、研究实施、资金筹集、数据分析、数据整理、概念构建。原田良树：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、数据可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论设计、研究实施、资金筹集、数据分析、数据整理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

致谢

本研究得到了中央大学科学与工程学院以及JSPS KAKENHI资助（项目编号：JP23K13978）的支持。