研究背景:
塑料的高功能性和相对较低的成本使这些材料在日常生活中越来越普遍。然而,传统的油基塑料在自然环境中不易于生物降解,因此表现出不良的环境持久性。寻找传统塑料的可持续替代品无疑是个非常有潜力的选择,然而一些标准可以评估生物降解聚合物在不同环境(如土壤、堆肥设施、水生环境甚至海洋栖息地)中的生物降解性,但在环境相关条件下很难生物降解。一种真正可生物降解的聚合物必须能够在代表特定环境的一套标准化培养条件下,由天然微生物矿化二氧化碳。因此,可以在实验室中根据模拟海洋条件下获得的矿化率评估海洋中的潜在生物降解性,但目前的标准不足以现实地预测塑料物体(如手提袋)在水生环境中的生物降解性,显然需要更可靠的与环境相关的标准化方法。
研究内容:
西班牙的Beiras等人根据材料的生物需氧量提出了一个简单而快速的标准方案,旨在支持政策制定者和塑料行业寻找真正的海洋生物降解塑料。这项研究的基本假设是,来自海洋沉积物的天然微生物接种剂和代表海洋条件的营养配方将改进测试海洋生物降解性的标准方法。改进措施包括:开发符合雷德菲尔德比例(106C: 16N:1P)的环境相关营养配方;使用代表海洋环境的天然接种物(沉积物孔隙水);通过研磨至250 μm以下的颗粒对测试材料进行标准化,以缩短潜伏期,并选择真正可生物降解的生物聚合物(PHB)作为阳性对照。该方案已成功应用于表明商业可堆肥塑料在海洋环境中不可生物降解。
主要研究结果:
1.用于生化需氧量测试的装置图。
2.优化培养条件的试验。(a)使用不同营养配方对蔗糖(Suc)和PHB的生物降解,以% ThOD表示。注意PHB由ISO规定的配方与反映雷德菲尔德比的配方相比性能较差。(b)使用三种不同的海洋接种物:水柱(SWC)、沉积物孔隙水(SPW)和沉积物洗脱物(ELU)对PHB进行生物降解。(c)沉积物(上)和水柱(下)取样地点。(d)不同粒径范围的PHB生物降解情况:粉末≤250 μm (PHB.250), 1-3 mm完整的PHB球团(PHB. balls),微细到≤250 μm的PHB球团(PHB. balls .250), 0.5 cm2厚100 μm的PHB膜片(PHB.film)。
3. 在蔗糖(0.1 g/L)海水中孵育5天后的生物需氧量(BOD),使用不同的营养配方和微生物接种物来源。
4.测试材料的特性。PHB:聚-β-羟基丁酸酯;PHBV:聚-β-羟基丁酸酯-共-β-羟戊酸酯;PLA:聚乳酸;聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯。
5. 根据本研究开发的方法测试了生物塑料的海洋生物降解性。生物可降解性表示为作为参考材料的BOD28与PHB的百分比(%C+),以及理论需氧量(%ThOD)。最后给出了用逻辑模型预测的最终需水量(BODL)。请注意,由生物聚合物制成的可堆肥产品在海水中都没有表现出相关的生物降解性。不可计算。
红色:可生物降解性差;绿色:易于生物降解。
研究结论:
ISO和其他国际标准规定的营养配方似乎不适合支持异养微生物在海洋条件下的生长,而基于Redfield C:N:P比值的替代配方支持显著更高的生物降解率,特别是在使用生物聚合物作为C源的情况下。在每次测试运行中使用微粉化PHB作为阳性对照,可以将结果与参考对照进行比较,而传统的%ThOD则需要了解所研究材料的元素组成。这允许对成分未公开的塑料进行分类。
这项研究在开发一种更快速和环境相关的标准方法方面取得了进展,用于测试塑料在温带沿海栖息地典型海洋条件下的生物降解性。进一步的研究应解决深海典型低温的影响,以及从其他栖息地获得的微生物群。该方法已被证明适用于在比现有标准更短的时间内评估由生物聚合物及其相应树脂制成的商业产品的实际海洋生物降解性,这对于所研究材料的第一次生物降解性筛选非常有用。该方法表明PLA和PBAT在海洋条件下不易生物降解。从四种生物聚合物(PHA, PBAT, PLA)制成并标记为可堆肥的商业产品中,用这种新方案进行测试,没有一种显示出相关的海洋生物降解性,只有成分中含有淀粉的产品在海水中显示出8 - 14%的矿化,可能是由于淀粉的存在。PHB原料具有固有的海洋生物降解性,但加工树脂和保存最终产品的化学添加剂可能会抑制这一优势。商业塑料材料上显示的标签应基于反映环境中真实和更准确的降解情况的标准,并避免“可生物降解”等可能导致消费者不正确处置的笼统表述。
参考文献:
Is a compostable plastic biodegradable in the sea? A rapid standard protocol to test mineralization in marine conditions
原文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969722019532?via%3Dihub
DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.154860