可堆肥塑料支持有機(jī)廢棄物的分類(lèi)收集。然而有些人擔(dān)心分解過(guò)程中產(chǎn)生的碎片可能無(wú)法完全生物降解，在堆肥中留下持久的微塑料。我們?cè)诙逊手刑砑恿撕芯廴樗岬姆枷阒咀寰埘ヮw粒，然后在工業(yè)堆肥條件下跟蹤其分解情況。我們將所得結(jié)果與聚乙烯進(jìn)行了比較。通過(guò)空白對(duì)照、峰形對(duì)照和預(yù)標(biāo)記塑料，對(duì)提取方案和輔助顯微方法（μ-拉曼和熒光）的有效性進(jìn)行了評(píng)估。25-75 μm 大小的碎片代表了最明顯的臨時(shí)碎片峰，在工業(yè)堆肥 1 周后已達(dá)到這一峰值。粒徑較大的顆粒達(dá)到峰值的時(shí)間較早，而粒徑較小的顆粒達(dá)到峰值的時(shí)間較晚，且出現(xiàn)的頻率較低。對(duì)于所有尺寸的顆粒，當(dāng)90% 的聚合物碳轉(zhuǎn)化為 CO₂ 時(shí)，所有尺寸的顆粒的數(shù)量和質(zhì)量都降至空白水平。凝膠滲透色譜（GPC）分析表明，解聚是崩解的主要?jiǎng)恿?。觀(guān)察到顆粒成分向較低聚乳酸比例的瞬時(shí)轉(zhuǎn)變。生物降解過(guò)程中的塑料按預(yù)期的分解途徑碎裂，但沒(méi)有觀(guān)察到任何大小的顆粒碎片堆積。

在工業(yè)堆肥條件下通過(guò)生物降解實(shí)驗(yàn)對(duì)破碎過(guò)程進(jìn)行了研究，允許跟蹤釋放的二氧化碳（圖1a），從而對(duì)礦化程度進(jìn)行精確采樣。陽(yáng)性對(duì)照纖維素的礦化曲線(xiàn)與歷史對(duì)照的礦化曲線(xiàn)一致。ecovio PS1606 和預(yù)標(biāo)記的 ecovio 的曲線(xiàn)在出 3 至 10 周之間出現(xiàn)了偏差，這是由于 PLA 在與染料復(fù)合過(guò)程中發(fā)生熱降解。值得注意的是，圖 1和2中的裂解動(dòng)力學(xué)是沒(méi)有預(yù)標(biāo)記過(guò)程的環(huán)境相關(guān)情況（另請(qǐng)參見(jiàn)方法和材料）。大粒徑微粉化材料對(duì)礦化速率有強(qiáng)烈的影響，其比用于紙張涂層（例如，用于可堆肥杯應(yīng)用）的 25μm 薄膜高一個(gè)數(shù)量級(jí)。從 60% 礦化度開(kāi)始，兩條曲線(xiàn)都過(guò)渡到線(xiàn)性階段，而不是達(dá)到平臺(tái)期。此行為可能由于：(1)聚合碳被快速吸收到生物質(zhì)中，然后緩慢礦化；(2) 限速表面侵蝕過(guò)程，或 (3) 由于PLA 在初始階段快速水解，局部酸性 pH 值過(guò)渡性抑制代謝。在同一過(guò)程中，陰性對(duì)照 LDPE如預(yù)期那樣沒(méi)有發(fā)生降解（圖 1a，虛線(xiàn)）。

四個(gè)采樣點(diǎn)與生物降解過(guò)程的關(guān)鍵階段相關(guān)：開(kāi)始時(shí)、第 1 周（約 6% 礦化）、第 10 周（50% 礦化）和最后 26 周（90% 礦化）。

在碎片提取方面，我們使用橄欖油對(duì)部分生物降解的聚氨酯進(jìn)行非常溫和的工藝處理，但生物降解使聚合物的疏水性降低，而疏水性是提高提取效率的驅(qū)動(dòng)力。在這里，我們結(jié)合超聲處理來(lái)解聚附著在其他堆肥顆粒上的塑料碎片，氧化以去除有機(jī)背景并保證被拉曼光譜正確識(shí)別，密度分離以去除Fenton殘留物和堆肥無(wú)機(jī)成分（圖S2）。之前研究已經(jīng)表明，芳香族-脂肪族聚酯的粒度分布、表面紋理和表面化學(xué)沒(méi)有受到影響。在空白堆肥中，我們發(fā)現(xiàn)大部分堆肥碎片沒(méi)有特定的拉曼光譜（歸因于富含自體熒光木質(zhì)素的顆粒、硅酸鹽和脂肪酸酯）以及聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯和聚苯乙烯的碎片（表S1）。超聲處理沒(méi)有顯著改變碎片的粒度分布（圖S3）。使用超聲處理進(jìn)行解聚。檢驗(yàn)酸性密度分離介質(zhì) ZnCl2的適用性：部分（1 周）堆肥聚合物在萃取后立即進(jìn)行分析，然后在基于 ZnCl₂ 的萃取液中儲(chǔ)存 1 個(gè)月后重新進(jìn)行分析，結(jié)果相同（圖 S4）。

為了建立破碎動(dòng)力學(xué)，顆粒提取和μ-拉曼分析的結(jié)果按尺寸和化學(xué)成分進(jìn)行分類(lèi)(表S2?S5)，其中圖1b顯示了每個(gè)取樣時(shí)間段，每塊堆肥中被鑒定為芳香脂肪族聚酯的碎片的大小尺寸分布情況。在堆肥開(kāi)始時(shí)，LDPE 和 ecovio 聚合物的碎片數(shù)量相當(dāng)（每克堆肥近 10,000 個(gè)），然而 26 周后，ecovio 碎片數(shù)量減少了 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到每克 3 ± 3 個(gè)（圖 1b，綠色柱狀顯示了重復(fù)樣品的尺寸分布，總計(jì)數(shù)為 5 個(gè)顆粒）。這一最終計(jì)數(shù)與每克 5 ± 5 的空白計(jì)數(shù)相比并不顯著（表S1）。結(jié)果與 90% 的塑料碳被生物礦化為 CO₂ （圖 1a）的結(jié)果一致，此外還顯示可檢測(cè)顆粒減少至空白水平。相比之下，LDPE 的數(shù)量?jī)H減少了 7%，這對(duì)于重復(fù)分析的不確定性而言并不顯著。

μ-拉曼顯微鏡對(duì)聚合物類(lèi)型具有較高的選擇性，并且具有比紅外顯微鏡更好的空間分辨率，但在這方面仍然受到限制。熒光顯微鏡通過(guò)尼羅紅染色提高空間分辨率并保留基本特異性。然而，尼羅紅可能會(huì)對(duì)天然存在的堆肥顆粒或其他微塑料造成染色，從而增加顆粒計(jì)數(shù)。因此，我們用熒光染料（Lumogen Yellow）預(yù)先標(biāo)記了相同的芳香族-脂肪族聚酯。Lumogen Yellow預(yù)標(biāo)記和尼羅紅后標(biāo)記的熒光疊加（圖S5a和1c），以及各自尺寸分布的極好匹配（圖5b)，顯示出足夠的特異性。通過(guò)熒光分析與μ-拉曼顯微鏡相比，熒光顯微鏡對(duì)破碎動(dòng)力學(xué)的分析更清楚地揭示了碎片尺寸依賴(lài)性（圖 1d）：最大的碎片（125?2000μm）從一開(kāi)始就單調(diào)衰減；75?125μm 的部分最初停滯不前，僅在 1 周后開(kāi)始衰減；25?75μm 的部分從開(kāi)始到 1 周增加了三倍，然后減少；最小可檢測(cè)到的3? 25μm部分，在10周內(nèi)持續(xù)增加，然后下降。在 26 周時(shí)，所有部分都恢復(fù)到基線(xiàn)（圖 1d）。Accinelli 等人在土壤中也觀(guān)察到了從較大尺寸到較小尺寸的持續(xù)再分布，但沒(méi)有像這里一樣對(duì)降解的最后階段進(jìn)行跟蹤。

在25?75μm顆粒范圍內(nèi)，間歇性生成超過(guò)了較大顆粒的損耗，是由于它們的碎裂導(dǎo)致，而不僅僅是它們的縮小。然而，表面侵蝕引起的顆粒收縮可能足以解釋 3? 25μm 粒徑區(qū)的延遲生成和降解。熒光顯微鏡（圖1d）的總數(shù)高于μ-拉曼顯微鏡（圖1b），這是因?yàn)闊晒怙@微鏡的分辨率更高，對(duì)異種或同種團(tuán)聚體中的顆粒的分割能力也更強(qiáng)。這些補(bǔ)充技術(shù)證實(shí)，所有可檢測(cè)尺寸的片段均進(jìn)一步降解，并且沒(méi)有檢測(cè)到顆粒的積累。小碎片的有效降解，是由于酶降解率與較小碎片的較大比表面積成比例關(guān)系，正如對(duì)酶表面侵蝕的預(yù)測(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。由于存在比例關(guān)系，在一定的尺寸和時(shí)間內(nèi)，該尺寸的流出速率（通過(guò)侵蝕）應(yīng)超過(guò)該尺寸的流入速率（通過(guò)較大尺寸的破碎），由此產(chǎn)生的尺寸分布應(yīng)該向較小尺寸減少；應(yīng)該會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。在我們的實(shí)驗(yàn)中，觀(guān)察到了這個(gè)峰值，特別是在 25?75μm 的部分。納米塑料碎片的積累（低于1μm）與破碎和侵蝕聯(lián)合作用的模型不一致，但目前檢測(cè)限為3μm的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不能排除其他機(jī)制產(chǎn)生的納米塑料。

酶裂解會(huì)導(dǎo)致聚合物鏈斷裂，這在摩爾質(zhì)量分布中可以觀(guān)察到。該參數(shù)可以選擇性地針對(duì)粒子進(jìn)行測(cè)量。我們發(fā)現(xiàn)，即使在 10 周后，當(dāng) 50% 的原始聚合物碳轉(zhuǎn)化為 CO₂ 時(shí)，構(gòu)成碎片的聚合物仍類(lèi)似于原始摩爾質(zhì)量分布（圖 2a）。相比之下，索氏提取堆肥中的顆粒和聚合物以其他形式存在（例如溶解、吸附、生物同化），顯示摩爾質(zhì)量逐漸降低且呈多分散狀態(tài)（圖2c）。因此，我們確定解聚是縮短的且親水性更強(qiáng)的聚合物鏈從顆粒上脫離的驅(qū)動(dòng)力，因?yàn)槔p結(jié)力和范德華力減弱了。脫離的聚合物鏈可以被生物吸收并并轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)和 CO₂ 。我們還通過(guò)使用帶有折射率 (RI) 和紫外線(xiàn) (UV) 檢測(cè)的 GPC 確定了化合物中不同聚合物的貢獻(xiàn)。所有聚合物的摩爾質(zhì)量（GPC-RI，圖 2c）與芳香族脂肪族聚酯的摩爾質(zhì)量（GPC-UV，圖 2d）之間的比較表明， PLA 的水解速度更快。這與剩余碎片的組成非常吻合，逐漸從原始的 ecovio 化合物轉(zhuǎn)向 PLA 含量較低的碎片（圖 2b）。這種轉(zhuǎn)變歸因于PLA在58°C的工業(yè)堆肥條件下，溫度引起的快速水解。值得注意的是，成分的轉(zhuǎn)變并不是“轉(zhuǎn)化”，因?yàn)橥瑫r(shí)所有聚酯碎片的顆粒數(shù)（圖1c）減少到空白水平。熒光顯微鏡不依賴(lài)于光譜庫(kù)的擬合，它提供了更多證據(jù)來(lái)反駁產(chǎn)生持久性微塑料的假設(shè)，因?yàn)樗芯酆衔锼槠臄?shù)量都減少到了空白水平（圖 1d）。