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耶鲁大学姚媛Nature大子刊：可生物降解微塑料的环境影响！

花匠小妙招
2024-11-13 07:05

可生物降解塑料被视为“环保”材料，但它们可能最终进入自然环境，由于缺乏有效的评估方法，这种影响常常被忽略。耶鲁大学姚媛提出了一种综合生命周期影响评估方法，评估可生物降解微塑料对气候变化和淡水生态毒性的影响。结果显示，高度可生物降解微塑料的水生生态毒性上较低，但温室气体（GHG）排放却较高。负荷转移程度取决于微塑料的尺寸和密度。自然环境中的生物塑料降解的温室气体量排放高于在工程化处理（如厌氧消化）中的生物降解，其显著增加了可生物降解塑料的生命周期温室气体排放。敏感性分析还确定了不同尺寸塑料最大温室气体排放量所对应的关键生物降解速率。这项研究加深了对可生物降解塑料环境影响的理解，并为未来评估和设计提供了方法。该研究以题为“Environmental impacts of biodegradable microplastics”发表在最新一期《Nature Chemical Engineering》上。

该方法包含工程化和自然生命周期两部分，提出了静态和动态全球变暖潜力（GWP）计算方法来量化生物降解过程中随时间变化的温室气体排放的气候影响。其以EoL建模为起点，实现从摇篮到坟墓的分析。其次，该方法论结合了塑料的物理特性、生态毒理结果和生物降解测试，适用于具有可用实验数据的不同塑料。

图1：可生物降解塑料生命周期评估方法示意图

自然环境中塑料终端处理的环境影响

该工作研究了市场上常见五种可生物降解塑料在自然环境中降解的温室气体排放和水生生态毒性（情景1：水为好氧环境，沉积物为厌氧环境）。在不同粒径下，聚乳酸（PLA）因具有其较低的固态降解速率（SSDR）而表现出最低的全球变暖潜力（GWP），但其水生生态毒性却最高，而将聚乳酸替换为其他可生物降解塑料（如PHB、PCL、TPS和PBS）可能会将生态毒性负荷转移到温室气体排放。然而，在1 µm和0.1 µm的粒径下，聚乳酸与其他塑料之间并未出现负荷转移。除了固态降解速率、尺寸、碳含量，塑料的密度也影响其环境性能，高密度塑料沉降速度快，减少了在水中的停留时间，因此尽管热塑性淀粉（TPS）的固态降解速率低于聚己内酯（PCL），其高密度使得它在1,000 µm时的水生生态毒性更低。通过静态和动态GWP分析，PHB、PCL和TPS在各粒径下静态和动态值差异不大，而PBS在1,000 µm下的差异为20%，PLA在1 µm时则为80%。不同GWP特征因子导致甲烷排放的时间差异明显，PLA和PBS的甲烷排放持续79和100年，这表明传统静态生命周期评估可能低估了慢生物可降解塑料的气候影响。在情景2中（水体和沉积物均为好氧环境），负荷转移较情景1减弱。

图2：可生物降解塑料自然环境降解的影响。（a–f）三类尺寸可生物降解微塑料的水生生态毒性（a–c）和温室气体排放量（d–f）（每千克）。结果显示了不同尺寸微塑料（1,000 µm（a,d）、10 µm（b,e）和0.1 µm（c,f）），在场景1（水中好氧条件和沉积物中厌氧条件）下淡水生态毒性的不确定性。温室气体排放基于静态（实线）和动态（虚线）方法以100年全球变暖潜力（GWP）表示，仅展示了某些尺寸的PBS和PLA动态GWP结果，其他塑料的静态和动态GWP结果相似。

塑料终端处理对生命周期温室气体排放的影响

研究者比较了工程化终端处理和自然环境终端处理对可生物降解塑料生命周期温室气体排放的影响，对于情景1，其相对大小取决于塑料种类和粒径。其中，PCL的差异最大，自然环境中的生物降解排放约为厌氧消化排放的16倍，因为自然环境中厌氧生物降解是主要的温室气体来源。而工程化终端处理可通过工业堆肥维持好氧条件或通过捕获厌氧消化产生的甲烷来回收能源，这强调了妥善管理工程化终端处理的重要性。以往研究表明生物基塑料的工程化终端处理产生的温室气体排放可以通过生物碳吸收抵消，但图3显示，自然环境中的终端处理产生的温室气体排放因甲烷排放无法完全抵消。情景2下自然环境和工程化终端的全球变暖潜力值相似。

图3：常见可生物降解塑料的生命周期温室气体排放。五种塑料在自然环境（a–e）和工程环境（f-g）中的生命周期温室气体排放结果。塑料性质对其终端处理的影响可生物降解塑料的SSDR和密度决定其在自然环境中的终端处理影响。敏感性分析表明增加塑料密度会增加温室气体排放并降低水生生态毒性。图4表明随着SSDR的增加，水生生态毒性单调下降，而温室气体排放呈非单调性变化。当SSDR低于厌氧生物降解达到最大值的速率（即SSDRpeak），提高生物降解性会增加GWP；当SSDR高于SSDRpeak，GWP降低；当厌氧或好氧降解占主导时，GWP对SSDR不敏感；GWP对SSDR的敏感性依赖于粒径，小粒径塑料的GWP更易受SSDR影响，而大粒径塑料敏感性降低；此外，随着SSDR增加，静动态曲线由分离向重叠变化，小SSDR下的差异主要源于厌氧降解过程中产生的甲烷排放随时间变化，而静态方法往往低估小SSDR塑料的GWP。因此，建议对小SSDR塑料采用动态方法来量化其在终端处理时的GWP。

图4：SSDR对自然环境中塑料生物降解温室气体排放的影响小结该研究提出了一种综合生命周期评估（LCA）方法，用于评估可生物降解塑料的环境影响。通过对五种常见塑料的案例研究，结果表明快速降解可能会导致生态毒性降低与气候影响增加之间的负荷转移，自然环境降解可能比工程化终端处理产生更多温室气体，使用动态GWP替代静态方法来提高评估准确性。但该研究存在一些局限性如只考虑了物理毒性，未考虑使用阶段、生物污垢等影响，未来研究应填补生态毒理学数据空白，探索多样化的自然环境。

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来源：高分子科学前沿