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评价塑料生物降解性的三重阻力

来源:摆脱塑缚 作者: 人气: 发布时间:2020-08-12 09:50:27

注:本文主要参考《Plastics of the Future? The Impact of Biodegradable Polymers on the Environment and on Society》,作者:Tobias Haider, Carolin Völker, Johanna Kramm, Katharina Landfester, Frederik Roman Wurm 。

通过介绍三种生物降解试验各自的优缺点,强调生物降解性总是与周围环境密切相关,并关注降解过程的环境影响,旨在为生物可降解塑料的标准化工作提出见解与建议。

引言

全国两会期间,华东理工大学的蓝闽波委员在《禁塑令后可生物降解塑料及制品管理》的提案中建议:完善生物可降解塑料的评价机制及产品标准。

伴随一系列支持政策的陆续出台落地,生物可降解塑料产业蓬勃发展,已有逐步取代传统(不可降解)塑料之势。何以时至今日,为生物可降解塑料的降解性能和环境影响建立统一的评价机制和产品标准,仍是科学家们需要去突破的紧急问题?

要评价一个塑料产品的生物降解性能,究竟难在哪里?

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2019年全球生物塑料的生产能力(框内为生物可降解塑料部分)

图|European Bioplastics

一、降解试验:必须结合

多种试验评价材料的生物降解性

材料发生生物降解必须具备的条件是存在大量的微生物。根据微生物源的不同,生物降解试验可分为三种,分别是特定微生物试验、环境微生物试验和自然环境试验。

特定微生物试验

特定微生物试验将单独分离的微生物接种于试样上培养。这种方法可重复性较好,适于探索降解机理、确定降解产物,其是否有助于评估生物可降解塑料在自然环境条件下的降解能力,首先要看试验中所使用的微生物,是否存在于塑料废物最终可能进入的真实环境当中。[1]

例如在生物可降解塑料的需氧生物降解能力标准化试验 ASTM D5247-92(已被撤回) 中,培养基①使用的是两种土壤微生物,西唐氏链霉菌 ATCC39115 和绿孢链霉菌 ATCC39115。

【注】

①培养基:人工配制的用来培养微生物的营养物质。

问题在于,在特定微生物试验中,被测的生物可降解塑料是微生物的唯一碳源(carbon source)②,而在自然环境中,在存在其他营养物的情况下,生物可降解塑料可能不是微生物优先选择的反应物。[2]

【注】

②碳源:一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素来源的营养物。

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实验室的人工环境与自然条件有较大差异

 图|Pexels

另一方面,试验中的微生物若处在自然环境下复杂的生物群③组合里,并不一定具有生存优势,因此它们在特定环境中竞争、生存和繁殖的能力至关重要。[1]

【注】

③生物群:生活在一定区域内的所有生物。

有鉴于此,美国材料与试验协会(ASTM)和经济合作与发展组织(OECD)制定的的生物降解能力标准化试验,通常规定在模拟环境④中进行,以作出更可靠的评估。[3]

【注】

④模拟环境:在实验室中,利用各种设备产生模拟真实环境的条件。

环境微生物试验

环境微生物试验(环境模拟试验)将试样放入容器中,然后接种来自土壤、污泥或河水中的微生物群,在实验室进行培养研究。这种方法仍具有较好的可重复性,又能在一定程度上反映试样在自然条件下的生物降解性。

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模拟环境与真实自然环境较为接近

图|Luis Garcia

例如 OECD 化学品测试规范第 306 项,“在海水中的生物降解能力”,就使用海水作为试验介质,规定海水样本应在 15-20℃下储存,并于收集后一两天内使用,且必须描述水样的污染和营养状况。[4]

但是,由于海水中(土壤和堆肥同理)微生物含量不均匀,通常很难采集代表性样本。[2]样本也可能在装瓶过程中受到污染,一些适应能力较强的微生物得到富集⑤,导致样本失去代表性。[1]

【注】

⑤富集:在特定的环境条件下,部分微生物旺盛生长繁殖,同时其他微生物的生长受到抑制。

自然环境试验

基于上述种种困难,自然环境试验(现场试验)的重要性不言自明。只有将试样直接埋在土壤、污泥、堆肥中,或浸入河流、海洋中,方能真实反映塑料废物在自然界真实环境下的降解情况。[1]

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自然环境试验能够反映真实环境下的降解情况,但环境条件难以控制

图|Pixnio

然而,现场试验明显受到环境条件(如温度、湿度、酸碱度)的制约,这些条件难以得到控制。[5]试验结束后,很难对残留在环境中的试验材料进行量化,也难以测定材料降解释放到环境中的小分子;环境中其他生物体的新陈代谢同样可能影响分析,这些都给监测生物可降解材料是否完全降解带来了难度。

【注】

⑥完全降解:根据标准 CEN/TR 15351:2006,生物可降解材料需要在生物降解过程中矿化为二氧化碳、水和生物质。

总的来说,用于塑料生物降解性评价的测试方法各有优缺点,因而应根据试样的特点选择合适的测试标准,必要时还应将各种方法测得的多个指标结合,以此最大限度地完善对试样材料生物降解性的评估。

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不同类型生物降解实验的比较

图 |  Müller

二、降解环境:必须评估

材料在不同环境中的生物降解性

生物可降解材料的生物降解速率,同时取决于酶、微生物、温度、湿度、酸碱度、氧气和光等等因素。所有这些因素在不同的生态系统(地域)中各不相同。[6] 

以微生物浓度为例,每克堆肥材料中有 10^7–10^8 个集落形成单位①(colony-forming unit),而在土壤中只有 10^6 个。[2]对海水而言,一项基于直接计数法②的估计为 10^6 个细胞每毫升。[7]

【注】

①集落形成单位:可以长成一个菌落的活细胞。

②直接计数法:又称显微镜计数法,用计数板在光学显微镜下直接观察细胞并进行计数。

所以对于生物可降解材料,必须评估其在不同生态系统中的生物降解速率,方能保证材料在使用后能够实现预期的降解。

一项在 25℃的淡水(湖泊和河流)和海水(海湾和海洋)中,对五氯苯酚(PCL)进行生物降解的试验表明,由于不同环境中微生物数量不同,五氯苯酚的降解速率也相应受到影响。降解速率从高到低依次为:海水(海湾) >淡水(河流) >淡水(湖泊) >海水(海洋)。[8]

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现行的“海洋可生物降解”认证被指责为时过早

图|TüV AUSTRIA

再以聚乳酸(PLA)为例。作为一种半结晶聚合物,聚乳酸的玻璃化转变温度(glass transition temperature)约为 60℃。[9]当环境温度高于其玻璃化转变温度③时,聚乳酸非晶区的分子链柔性变大,降解过程随之加快。

【注】

③玻璃化转变温度:非晶态聚合物或部分结晶聚合物中非晶相发生玻璃态-高弹态转变所对应的温度。

因而在温度可能高达 65℃的工业堆肥环境中,聚乳酸可以有效降解。在试验中,尺寸为 33.0×12.5×3.0 毫米的聚乳酸在 60 天后完全崩解④。[10]

【注】

④崩解:材料物理断裂成为极其细小的碎片。

而家庭堆肥的温度远低于工业堆肥,降解效果自然相去甚远。在希腊进行的试验显示,厚度为 440 微米⑤的聚乳酸薄膜在 25℃下,11 个月后才完全崩解。[11]聚乳酸在土壤中的生物降解速率也大致如此——土壤中的温度通常不超过 30℃,完全崩解需要约一年时间。[11]

【注】

⑤微米:长度单位,缩写为 μm,相当于毫米的千分之一。

相比在土壤中降解,聚乳酸在水生环境(aquatic environment)⑥中降解的研究则要少得多。但有研究显示聚乳酸在海水中 45 天后,没有产生可观测到的重量损失。[12]

【注】

⑥水生环境:水生生物生存的外部环境介质,有流水和静水环境;前者如池塘、湖泊、沼泽、水库,后者如江河、溪流、泉水、沟渠。

加州资源回收再生部门(CalRecycle)也曾进行一项聚乳酸和聚羟基丁酸酯(PHBV)瓶的降解试验。聚乳酸瓶放置在 25℃的海水中一年后,并未出现崩解,PHBV 则部分崩解。[13]

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不同的湿度、温度和微生物浓度等因素,使聚乳酸在各种环境中表现出不同的生物降解性、

图|Wiley

目前,聚乳酸不单被认可为“可堆肥”材料,还常作为生物可降解塑料的典型,被用来宣传生物可降解材料的优异。这种操作有混淆公众视听之嫌疑,因为聚乳酸在陆地上或海水中的降解实际上非常缓慢。[1]

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伦敦奥运会上使用的可堆肥塑料餐具

图|Ecozema

三、环境影响:必须在长期试验中反复进行生态毒理研究

为了评估生物可降解材料的环境影响,通常在受控的实验室条件下使用模式生物(Model Organism)①进行生态毒性②试验。[14]

【注】

①模式生物:作为实验模型以研究生物学特性所用的生物;从模式生物研究所得的结论,通常可适用于其他生物。

②生态毒性:某种物质对动物、植物和生态系统造成损害,或对环境造成长期不利影响的作用。

由于相关法规(如 REACH③)多未要求评估塑料材料的环境影响,所以生物可降解塑料的有关生态毒理数据较少。[1]目前的研究集中于生物可降解塑料制品,如农业中使用的塑料地膜(Plastic Mulch Film)④,在应用过程中产生的影响。[15]

【注】

③REACH:全称“Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals”,即化学品的注册、评估、许可和限制,是欧盟对进入其市场的所有化学品进行预防性管理的法规,于 2007 年 6 月 1 日开始生效。

④塑料地膜:一种用来覆盖田地的塑料薄膜,以保持农作物生长的适当温度、湿度等。

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覆盖着农用地膜的农田   图 | 图虫

对于聚乳酸,有研究发现其降解产物对洋葱有细胞毒性⑤和遗传毒性⑥作用;[16]另有研究检测到聚乳酸地膜(在 84 天后)引起微生物活性(microbial activity)⑦抑制。[17]

【注】

⑤细胞毒性:引起细胞溶解(细胞死亡)、抑制细胞生长或对细胞产生其他不良反应。

⑥遗传毒性:引起基因突变、染色体结构畸变以及其他 DNA 或基因变化的不良反应。

⑦微生物活性:微生物具有的分解有机质的能力。

这类研究通常局限于在特定时间后测量降解产物的影响,却无法提供造成毒性的成分的有关信息,也就无法帮助我们进一步理解毒性机理,从而指导生产安全的生物可降解塑料。[1]

这些研究所设定的时限(timing)同样值得注意。根据欧洲标准 EN 13432,生态毒理学研究在为期三个月的堆肥之后进行。然而即使材料本身是安全的,也可能因降解过程中某些代谢物或作为塑料添加剂⑧的有害化合物的释放,而产生毒性。[18]

【注】

⑧塑料添加剂:也叫作塑料助剂,用来改善塑料的性能。

因此有学者认为,只有在长期的降解试验中反复进行生态毒理学研究,才能提供足够的数据来正确评估代谢物⑨和残留物的环境影响。[19]

【注】

⑨代谢物:代谢反应中的任一个反应物、中间物或产物。

总结

生物可降解塑料是当前降解塑料发展的主流,塑料生物降解性的标准制定是塑料标准化工作的重要内容。经过 30 多年的发展,生物降解塑料标准化工作已经取得显著进展,但是仍有不少问题等待进一步解决:

现有各标准所用的试验条件差异较大,所得的生物降解性数据无法实现相互之间的换算;现行的标准方法,大都只能近似反映塑料的降解行为,与真实废弃塑料的生物降解行为还有一定的差别等。[20]

因此,要建立一套完善且普遍认可的、能更好地模拟塑料废弃物在自然条件下降解行为的标准,研究者仍需付出更多努力。

参考文献

[1]Haider T P, Völker C, Kramm J, et al. Plastics of the future? The impact of biodegradable polymers on the environment and on society[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2019, 58(1): 50-62.

[2]Andrady A L. Assessment of environmental biodegradation of synthetic polymers[J]. Journal of Macromolecular Science, Part C: Polymer Reviews, 1994, 34(1): 25-76.

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[4]OECD T N. 306: Biodegradability in Seawater[J]. 1992.

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[10]Sangwan P, Wu D Y. New insights into polylactide biodegradation from molecular ecological techniques[J]. Macromolecular bioscience, 2008, 8(4): 304-315.

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[18]Kapanen A. Ecotoxicity assessment of biodegradable plastics and sewage sludge in compost and in soil[J]. 2012.

[19]Fritz J, Sandhofer M, Stacher C, et al. Strategies for detecting ecotoxicological effects of biodegradable polymers in agricultural applications[C]//Macromolecular Symposia. Weinheim: WILEY‐VCH Verlag, 2003, 197(1): 397-410.

[20]魏晓晓,张梅,李琴梅,刘伟丽,沈上圯,董海峰.生物降解塑料国内外标准概况[J].标准科学,2016(11):58-64.

(编辑:逍遥客)

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