可堆肥塑料支持有機廢棄物的分類收集。然而有些人擔(dān)心分解過程中產(chǎn)生的碎片可能無法完全生物降解，在堆肥中留下持久的微塑料。我們在堆肥中添加了含有聚乳酸的芳香脂肪族聚酯顆粒，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)果與聚乙烯進行了比較。通過空白對照、峰形對照和預(yù)標記塑料，對提取方案和輔助顯微方法（μ-拉曼和熒光）的有效性進行了評估。25-75 μm 大小的碎片代表了最明顯的臨時碎片峰，在工業(yè)堆肥 1 周后已達到這一峰值。粒徑較大的顆粒達到峰值的時間較早，而粒徑較小的顆粒達到峰值的時間較晚，且出現(xiàn)的頻率較低。對于所有尺寸的顆粒，當(dāng)90% 的聚合物碳轉(zhuǎn)化為 CO₂ 時，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，解聚是崩解的主要動力。觀察到顆粒成分向較低聚乳酸比例的瞬時轉(zhuǎn)變。生物降解過程中的塑料按預(yù)期的分解途徑碎裂，但沒有觀察到任何大小的顆粒碎片堆積。

在工業(yè)堆肥條件下通過生物降解實驗對破碎過程進行了研究，允許跟蹤釋放的二氧化碳（圖1a），從而對礦化程度進行精確采樣。陽性對照纖維素的礦化曲線與歷史對照的礦化曲線一致。ecovio PS1606 和預(yù)標記的 ecovio 的曲線在出 3 至 10 周之間出現(xiàn)了偏差，這是由于 PLA 在與染料復(fù)合過程中發(fā)生熱降解。值得注意的是，圖 1和2中的裂解動力學(xué)是沒有預(yù)標記過程的環(huán)境相關(guān)情況（另請參見方法和材料）。大粒徑微粉化材料對礦化速率有強烈的影響，其比用于紙張涂層（例如，用于可堆肥杯應(yīng)用）的 25μm 薄膜高一個數(shù)量級。從 60% 礦化度開始，兩條曲線都過渡到線性階段，而不是達到平臺期。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) 限速表面侵蝕過程，或 (3) 由于PLA 在初始階段快速水解，局部酸性 pH 值過渡性抑制代謝。在同一過程中，陰性對照 LDPE如預(yù)期那樣沒有發(fā)生降解（圖 1a，虛線）。

四個采樣點與生物降解過程的關(guān)鍵階段相關(guān)：開始時、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，我們使用橄欖油對部分生物降解的聚氨酯進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)動力。在這里，我們結(jié)合超聲處理來解聚附著在其他堆肥顆粒上的塑料碎片，氧化以去除有機背景并保證被拉曼光譜正確識別，密度分離以去除Fenton殘留物和堆肥無機成分（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）。超聲處理沒有顯著改變碎片的粒度分布（圖S3）。使用超聲處理進行解聚。檢驗酸性密度分離介質(zhì) ZnCl2的適用性：部分（1 周）堆肥聚合物在萃取后立即進行分析，然后在基于 ZnCl₂ 的萃取液中儲存 1 個月后重新進行分析，結(jié)果相同（圖 S4）。

為了建立破碎動力學(xué)，顆粒提取和μ-拉曼分析的結(jié)果按尺寸和化學(xué)成分進行分類(表S2?S5)，其中圖1b顯示了每個取樣時間段，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。在堆肥開始時，LDPE 和 ecovio 聚合物的碎片數(shù)量相當(dāng)（每克堆肥近 10,000 個），然而 26 周后，ecovio 碎片數(shù)量減少了 3 個數(shù)量級，達到每克 3 ± 3 個（圖 1b，綠色柱狀顯示了重復(fù)樣品的尺寸分布，總計數(shù)為 5 個顆粒）。這一最終計數(shù)與每克 5 ± 5 的空白計數(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，此外還顯示可檢測顆粒減少至空白水平。相比之下，LDPE 的數(shù)量僅減少了 7%，這對于重復(fù)分析的不確定性而言并不顯著。

μ-拉曼顯微鏡對聚合物類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，尼羅紅可能會對天然存在的堆肥顆粒或其他微塑料造成染色，從而增加顆粒計數(shù)。因此，我們用熒光染料（Lumogen Yellow）預(yù)先標記了相同的芳香族-脂肪族聚酯。Lumogen Yellow預(yù)標記和尼羅紅后標記的熒光疊加（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。通過熒光分析與μ-拉曼顯微鏡相比，熒光顯微鏡對破碎動力學(xué)的分析更清楚地揭示了碎片尺寸依賴性（圖 1d）：最大的碎片（125?2000μm）從一開始就單調(diào)衰減；75?125μm 的部分最初停滯不前，僅在 1 周后開始衰減；25?75μm 的部分從開始到 1 周增加了三倍，然后減少；最小可檢測到的3? 25μm部分，在10周內(nèi)持續(xù)增加，然后下降。在 26 周時，所有部分都恢復(fù)到基線（圖 1d）。Accinelli 等人在土壤中也觀察到了從較大尺寸到較小尺寸的持續(xù)再分布，但沒有像這里一樣對降解的最后階段進行跟蹤。

在25?75μm顆粒范圍內(nèi)，間歇性生成超過了較大顆粒的損耗，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），這是因為熒光顯微鏡的分辨率更高，對異種或同種團聚體中的顆粒的分割能力也更強。這些補充技術(shù)證實，所有可檢測尺寸的片段均進一步降解，并且沒有檢測到顆粒的積累。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，正如對酶表面侵蝕的預(yù)測，并通過實驗證實。由于存在比例關(guān)系，在一定的尺寸和時間內(nèi)，該尺寸的流出速率（通過侵蝕）應(yīng)超過該尺寸的流入速率（通過較大尺寸的破碎），由此產(chǎn)生的尺寸分布應(yīng)該向較小尺寸減少；應(yīng)該會出現(xiàn)一個峰值。在我們的實驗中，觀察到了這個峰值，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，但目前檢測限為3μm的實驗數(shù)據(jù)，不能排除其他機制產(chǎn)生的納米塑料。

酶裂解會導(dǎo)致聚合物鏈斷裂，這在摩爾質(zhì)量分布中可以觀察到。該參數(shù)可以選擇性地針對粒子進行測量。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，構(gòu)成碎片的聚合物仍類似于原始摩爾質(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的聚合物鏈從顆粒上脫離的驅(qū)動力，因為纏結(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 。我們還通過使用帶有折射率 (RI) 和紫外線 (UV) 檢測的 GPC 確定了化合物中不同聚合物的貢獻。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”，因為同時所有聚酯碎片的顆粒數(shù)（圖1c）減少到空白水平。熒光顯微鏡不依賴于光譜庫的擬合，它提供了更多證據(jù)來反駁產(chǎn)生持久性微塑料的假設(shè)，因為所有聚合物碎片的數(shù)量都減少到了空白水平（圖 1d）。