可降解塑料的環境降解和影響研究進展丨華東師范大學《科學通報》文章

中國“強制使用再生塑料”時代第1展

2025年9月3-5日·浙江寧波

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摘要：塑料污染已經成為一項全球環境問題,隨著禁塑令的發布和實施,可降解塑料作為傳統塑料的替代品已經在快遞、外賣包裝和一次性用品領域得到了廣泛應用。可降解塑料在不同環境下受非生物和生物因素的降解,相比較傳統塑料其賦存周期更短,但仍可能具備一定的持久性。研究可降解塑料在不同環境中的降解特征,有助于推動產業有序發展,是完善塑料污染全鏈條治理體系中不可或缺的環節,具有重要的現實意義。本文明確了可降解塑料的定義和分類,總結了不同聚合物組分的可降解塑料在水環境和土壤環境下的降解特征,進一步歸納了其在好氧堆肥和厭氧消化中的降解行為,分析了可降解塑料通過城鎮有機固廢生物處理的潛力和限制。此外,還介紹了可降解塑料釋放的微塑料和添加劑等中間產物對環境和生物的潛在影響。最后,本文對可降解塑料的環境歸趨,材料開發和應用及處理處置進行了建議與展望,為可降解塑料的科學推廣應用提供理論支持。

自人工合成塑料被發明以來，已經有超過100億噸塑料制品被生產并應用。由于塑料大都物質結構穩定，自然礦化過程緩慢，在環境中不斷累積，已經對自然界的物質循環、生態系統以及社會生活造成了不可逆的影響。我國在環境保護問題上一直重視并致力于解決塑料污染，應對塑料污染的政策從“禁薄”、“限塑”到“禁塑”逐步推進，并提出源頭減量、回收利用與處置和清理整治的三項主要任務。

可降解塑料(degradableplastics，DPs)作為傳統塑料的替代品，已經被廣泛地應用。DPs是指在特定環境條件下，經過一段時間和包含一個或更多步驟，結構發生顯著變化而損失某些性能和發生破碎的塑料。對塑料降解性的判斷，我國國家標準(GB)、國際標準化組織(ISO)、美國材料實驗協會(ASTM)和經濟合作與發展組織(OCED)給出了包括水環境、土壤環境、污泥消化和堆肥等多種特定條件下的判別標準。然而，DPs的降解是有環境和時間條件限制的，不應該被誤解為可以在任何條件下降解而不產生任何危害。如果不符合任意上述標準中對于降解性的要求，則被認為是不可降解塑料(nondegradable，NDPs)。此外，DPs降解過程釋放的添加劑、低聚體以及微塑料等所引發的環境影響已經受到人們的關注。

針對塑料替代產品的推廣，《“十四五”塑料污染治理行動方案》中強調需科學穩妥推廣，開展不同類型DPs降解機理及影響研究，科學評估其環境安全性和可控性；健全標準體系，規范應用領域，明確降解條件和處置方式等。DPs大都被用于一次性塑料制品，將造成每年將有數百萬噸的DPs代替傳統塑料排向城鎮生活垃圾處理處置系統。參照《生活垃圾分類標志》(GB/T19095-2019)，城鎮生活垃圾主要分為有害垃圾、可回收物、廚余垃圾和其他垃圾。根據《可降解塑料的環境影響評價與政策支撐研究報告》，我國可降解塑料目前有96.77%流向焚燒和填埋，有3.1%泄漏進入環境，僅0.007%通過生物處置，其中工業堆肥(0.001%)和厭氧發酵(0.006%)。目前對DPs如何分類，如何處理還缺乏定論，如通過焚燒進行無害化處理，則失去了推廣DPs的意義。因此研究DPs在不同應用領域廢棄后的環境降解行為，有助于推動產業有序發展，是完善塑料污染全鏈條治理體系中不可或缺的環節，有重要的現實意義。本文綜述了DPs在水和土壤環境以及有機固廢好、厭氧生化處理中的降解轉化特征，并討論了材料特性對其在不同環境降解的影響，最后提出了對可降解塑料應用與管理的建議，并對未來的研究方向進行了展望。

塑料降解相關的定義和分類

許多國家和地區已經實施或正在制定有關DPs的標準和法規，然而DPs的定義和分類可能因商業習慣、行業標準、研究領域，甚至是時代發展而異。為了避免誤解，在討論塑料在不同環境條件下的降解特征之前，有必要對塑料的定義和分類進行說明。

1.1 根據原料來源分類

如圖1所示，按原料來源，塑料可分為石油基、生物基和二氧化碳基三類：

• 石油基塑料以石油為原料，包括不可降解塑料（如PE、PP、PVC、PS）及部分可降解塑料（如PBAT、PCL）。該分類不考慮聚合物種類及降解性能。

• 生物基塑料來源于可再生生物質，如纖維素、淀粉、PHA、乳酸等。可包含可降解塑料（如PLA、PHA、淀粉基）與不可降解塑料（如生物基PE、PA、PTT）。廣義上的“生物塑料”指生物基、可降解，或兩者兼具的塑料。2022年生物塑料原料種植占全球耕地僅0.015%，但未來可能面臨與糧飼資源競爭的問題。

• 二氧化碳基塑料主要指CO?與環氧化合物合成的共聚物，如PPC和PCHC，具有生物可降解性。PPC相比傳統聚烯烴可節省40%以上化石能源，減少碳排放。但其耐熱性與力學性能不足，需通過改性提升其適用性。

1.2 根據降解性能分類

按圖1垂直方向，塑料可分為可降解塑料（DPs）和非降解塑料（NDPs）。其中，DPs又分為非生物降解塑料（ADPs）和生物降解塑料（BDPs）：

• ADPs（如光降解、熱氧降解塑料）通過光、熱、氧化降解，但多為添加劑誘導降解，不具備真正礦化能力，最終可能轉化為微塑料，引發生態風險。歐盟和我國均已限制其在一次性制品中的使用。盡管如此，ADPs的特性仍可滿足某些特定應用需求，并推動回收與再利用技術發展。

• BDPs指在自然條件下通過微生物作用最終完全降解為CO?、CH?、H?O等無機物及新生生物質的塑料，亦稱“全生物降解塑料”。本文不考慮動物或植物作用引發的降解。目前主流BDPs包括PBAT、PLA和淀粉基塑料，2023年全球產量約113.6萬噸，預計2028年達460.5萬噸，占比超過83%。

不同環境下DPs的降解特征

傳統塑料性質穩定在自然環境中可持續賦存數百年，環境中塑料累積導致的污染已經成為一項全球性的環境問題，雖然通過加強廢棄塑料的管理、回收利用以及對清理整治等措施來減少塑料污染，但是塑料仍可能被排放到環境中，并通過自然界的物質循環在各種環境中賦存。在使用DPs代替傳統塑料制品時，首先關注點就在于能否減少其在環境中的賦存時間以減少其環境累積。

2.1 在水環境中的降解

水環境在物質循環和生態系統中作用重要，微生物在其中扮演關鍵降解角色。現代分子生物學手段（如宏基因組學）可識別具潛在降解能力的微生物。例如，研究發現紅桿菌科中的Pseudomonas veronii可降解PHA類聚酯；另有研究從海水中篩得具降解PBAT潛力的酶類（如PETase、MHETase）。但基于基因組數據的推測仍需實驗驗證其真實降解能力。

實驗模擬中（表2），除PHB、PHBV、PCL等少數材料外，大多數DPs（如PBAT、PLA、PBS）在水環境中短期內降解緩慢。當前模擬實驗無法完全再現自然環境中的紫外、水流剪切等非生物作用，而這些因素往往與生物作用協同加速降解。因此需通過實際環境監測驗證其真實降解行為。

2.2 在土壤環境中的降解

土壤中塑料污染主要源于農用地膜的殘留。DPs材質地膜被視為提升農業可持續性的替代品。相較水環境，土壤光照與氧化較弱，非生物降解作用較小，但微生物種類豐富可增強生物降解。

實驗顯示（表3），DPs在土壤中降解速率依聚合物類型而異，如St、PHB、PCL在常溫下一年內可降解。粉末狀DPs降解快于薄膜狀，耕作可加速破碎，提升降解速率。我國夏季地溫較高，有助于DPs玻璃態向高彈態轉變，利于降解酶作用。此外，共混與改性可提升性能，如PLA與PBAT共混可兼顧剛性與柔韌性，并加快整體降解速度。

2.3 在好氧堆肥中的降解

自2020年禁塑令實施以來，大量DPs被用于一次性包裝，并進入城市垃圾處理系統。盡管垃圾分類存在塑料混入問題，但DPs與廚余垃圾協同處理可簡化處理流程，符合綠色發展方向。

好氧堆肥（55-58℃，180天）通常可實現DPs完全降解，是評估其是否為生物降解塑料的標準。高溫堆肥期越長，降解越充分；如PLA在37℃條件下365天僅降解20%，PBAT、PHA等在低溫（12.5℃）下450天降解率<10%。堆肥停留時間僅20-40天，不足以完全降解DPs，反而可能釋放微塑料，因此需依賴工業堆肥維持高溫條件以保障充分降解。

2.4 在厭氧消化中的降解

DPs在厭氧環境中的降解存在較大差異，受溫度、聚合物結構等因素影響。高溫條件下大多數DPs降解率高于中溫條件，但PBAT和PLA在常規厭氧條件下降解不顯著，PLA即便在高溫下降解周期也遠超30天(表5)。

為避免DPs在厭氧處理設施中堵塞與累積，應根據聚合物性質決定其適用場景。適用于厭氧環境的材料包括St、PHA、PPC等。此外，可通過調控共混比例、分子量、結晶度等方式提升其在厭氧條件下的降解性能。

DPs殘留物的環境影響

3.1 DPs的環境殘留

DPs在自然環境中降解條件受限，常表現出一定持久性，引發環境安全擔憂。目前對DPs降解測試多僅關注其崩解為<2mm顆粒，忽視微塑料的環境風險。研究表明，DPs在生物降解和酶解過程中可產生大量微塑料，毒性與傳統微塑料相當。

如：PBAT在水環境中更易生成微塑料，紫外預處理加速該過程；黃河水樣和澳大利亞污水處理廠均檢測到PBS、PLA等微塑料；堆肥過程中PBAT雖在高溫階段降解迅速，但在冷卻和腐熟期殘留碎片較多，每克堆肥干重中可殘留103~104個微塑料顆粒。

現有檢測方法仍有局限：如熱裂解-氣相色譜-質譜法定量下限高，傳統消解法會造成DPs質量損失，濕篩法則受篩孔及雜質干擾。因此，對DPs在環境中殘留的準確定量表征仍待優化。

3.2 DPs的環境影響機制

DPs對環境的影響主要表現在以下兩方面：

(1) 微塑料殘留影響：
DPs在降解過程中生成的微塑料會誘導氧化應激、降低細胞活力，并可能吸附污染物成為其載體。例如，PHB微塑料對藍貽貝的毒性與PE相當；PLA和PPC對蚯蚓毒性不低于傳統塑料。與傳統微塑料相比，DPs微塑料對抗生素和殺菌劑的吸附能力更強，成為潛在污染物濃縮體。同時，DPs塑料球上常富集抗生素抗性基因(ARGs)，對環境健康構成新威脅。此外，微塑料會干擾堆肥過程，降低微生物多樣性，影響腐殖化質量。

(2) 降解中間產物的釋放：
DPs降解會釋放大量溶解性有機物（DOM），部分可被微生物快速利用，影響碳循環及微生物群落結構。研究發現PBAT可促進土壤致病菌富集，影響廢水處理系統穩定性。同時，DPs降解過程中釋放的添加劑如雙酚A、鄰苯二甲酸酯等，具有內分泌干擾作用，并可能增強生物膜形成和抗性基因水平轉移。

綜上，為減少DPs對環境的負面影響，應加強其生命周期管理，并在廢棄物處理過程中強化降解與礦化，控制微塑料與有害物質的釋放。

總結和展望

目前研究表明DPs在水和土壤等自然環境以及好氧堆肥和厭氧消化的處理處置中表現出有條件的降解性，即需要特定的聚合物種類、溫度條件或者持續時間等才能完成降解。DPs的不完全降解會導致塑化劑和微塑料等的釋放，對生態環境造成一定的影響。DPs被當成傳統塑料的替代品廣泛應用，卻仍然按照傳統塑料的分類與處理處置流程，主要通過焚燒進行處理，在增加經濟成本的同時，并未帶來顯著的環境效益。針對DPs的推廣應用和處理處置提出以下展望。

(1)對實際環境中DPs的賦存進行調查和監測。目前實驗室模擬的受控條件無法還原季節更替、風化、水流剪切等非生物因素對于DPs的破碎降解的作用，針對DPs環境降解轉化和微塑料的賦存及持久性仍缺乏系統認知。

(2)對應DPs的應用場景和降解能力制定標準。在可回收和重復利用領域，優先實行回收而非可降解。針對泄漏風險高、再利用價值低、難以回收或清理的應用場景，應基于真實環境明確DPs的處理處置措施和降解能力，例如規范承裝廚余垃圾的可降解垃圾袋，方便城鎮生活垃圾分類等。

(3)完善塑料廢棄物全流程管理，健全和優化分類體系。填補DPs如何分類的空白，避免將DPs混入其他垃圾進行焚燒處理。DPs與廚余等城鎮有機固廢協同資源化處理處置是減少其環境風險、實現循環經濟的有效措施，且符合城鎮生活垃圾分類及綠色低碳發展的需求。

(4)持續開展DPs材料的研發工作。針對不同應用場景和環境歸趨開發對應的材料，通過多種聚合物材料之間的共混和改性，滿足商品用途、力學性能和降解能力的需求，為DPs產業發展提供技術保障。

(5)加強對DPs降解殘留特征的研究。DPs更容易發生降解產生微塑料并釋放塑化劑和添加劑等，這些不完全降解產物在環境中所需的降解時間以及對生態系統的影響仍需進一步探究。

（文章來源：《中國科學》雜志社—科學通報）

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