高分子材料生物降解性检测方法讨论

高分子材料生物降解性检测方法讨论

张小兵

身份证号：511027197307115498  四川省  成都市  610000

摘要：生物降解材料是在天然环境中(如土壤，沙土)，或者在特殊环境中(如堆肥，厌氧发酵，水溶液)，可经过微生物的分解，最后转化为CO2，CH4，H2O的材料。聚合物的物理化学性质、微生物种类以及降解环境都会对聚合物的生物降解产生一定的作用。目前已有多种评价生物降解效果的指标，大致可划分为好氧降解法、厌氧降解法和其他检测方法。对塑料产品的可降解性能进行测试是市场监督管理的关键。

关键词：高分子材料；可降解物质；检测

前言

塑料由于具有良好的机械性能、易加工、经久耐用、价格便宜等特点，在社会上得到了越来越多的应用。我国是世界上最大的塑料生产国和消费国，塑料因其分子质量高、结构中存在较多的取代基，难以被微生物利用，导致塑料使用量的增加伴随着固体废物和塑料垃圾的快速累积，造成了"白色污染"。所以，对塑料产品的可降解性能进行测试是目前市场监督管理中的一个重要环节。

一、常见生物降解材料

生物降解材料要求有可以分解它的全部有机物的微生物。聚乳酸(PLA)是一种在国际上被研究得最多，并且在工业上已经达到了相当高的工业化程度的生物可降解物质，它具有无毒无刺激、强度高、生物兼容性好、可加工性好等特点，被认为可以取代聚苯乙烯(PS)和 PP (PP)在包装上的使用[12-13]。聚羟基脂酸酯(PHA)是一种生物可降解的生物大分子，其生物相容性好，可降解，可用于生物医学及可降解食品包装等领域。在世界范围内， PHA的发明专利是继 PLA之后的第二大发明。聚己二酸-对苯二甲酸丁二脂(PBAT)是由己二酸丁二脂与对苯二甲酸丁二脂组成的聚合物，在韧性、耐热、抗冲击、拉伸等方面表现出优异的性能。PBAT是一种以 BA为主要结构单元(脂族)与 BT为主要结构单元(芳族)的共聚产物。与芳环结构(BT结构)、结晶区(BT结构)、非晶态结构(BT结构)等相比，脂环结构(BA结构)、非晶态结构(非晶态结构)等更易被水解、降解。聚丁二酸-丁二醇(PBS)是一类以丁二酸为主要原料的可生物可降解高分子材料，在食品包装、餐具、化妆品瓶、药品瓶、医疗一次性用品、农用薄膜、缓释农药、生物医用高分子材料等方面具有重要的应用前景[1]。

二、生物降解性检测方法

（一）好氧微生物降解检测方法

1、土壤有氧环境

检测有氧土壤退化的方法是将薄膜或其他形式的样品埋在土壤中，在一定温度和湿度下暴露于热、氧、水和微生物等因素，从而进行降解。通过定期评估样品的机械性能、分子质量变化和质量损失来评估样品的生物降解性的试验方法。翁云宣等以40:60的比例将 PLA与 PBAT (已二酸丁二酯-对苯二甲酸丁二酯)以40:60的比例将 PLA、 PBAT及 PBAT/PLA共混制成了 PBAT/PLA共混膜，并进行了 PBAT/PLA共混膜在土壤中的降解性比较。利用扫描电镜， DSC，热重分析，红外光谱，以及 PBAT/PLA两种材料的分子组成中，存在着较少的碳，较多的氧。PBAT/PLA在热分解前、热分解前、热分解后，其组成成分与其相应的单体高分子相比，在热分解前、热分解后，其热分解速率与其单独热分解时相比有一定差异。

（二）淡水有氧环境

本项目拟以水体中好氧微生物为研究对象，以其为碳源，考察好氧微生物在水体中的生存和繁衍所需的氧和CO2含量，评价其对水体中好气微生物的降解能力。生物分解速率为生化耗氧(BOD)与理论耗氧(ThOD)之百分数或CO2释放量与理论耗氧(ThCO2)之百分数。在测试期间末(最多6个月)，该空烧瓶中的 BOD或CO2排放量不能超出(该数值取决于接种菌的数目)的经验数值的最大限度。因为该过程是在水中进行的，且微生物和样品之间是有一定的相容性，因此该技术具有很好的重现性[2]。

3、海水有氧环境

目前，全球已有大量的塑料废弃物沉积于大洋，给全球生态、人类健康和社会发展带来了巨大的风险。在潮汐、洋流以及洋壳等因素的作用下，高致密的可降解物质会向亚沿岸沉积，最终沉积在海床上。从表层到深层，沉积物中存在着从好氧到好氧到厌氧的不同阶段，其含氧量发生了明显的改变。本项目拟采用室内试验方法，以海底沉积物为研究对象，以海底沉积物为研究对象，采用室内试验方法，测定其与沉积物的接触过程中CO2释放速率，并结合室内试验，研究其对沉积物的影响。

（二）厌氧微生物降解检测方法

1、水性培养液厌氧环境

水性培养基厌氧生态分解法是指在水生环境中使用精制和稀释的消化残渣（含有极少量无机碳，总干固体含量为1-3 g/l）作为厌氧源，在密闭的条件下，通过对样本进行厌氧发酵，将其分解成二氧化碳和甲烷的产生量进行测定，从而对样本的生物降解性能进行评价的方法。采用ISO14853(也就是 GB/T32106)作为水生培养基在无氧条件下进行测定的标准。同在有氧的淡水条件下，这种处理方式的可重复性更好，因为它是在水中进行的，而且细菌和样品之间的接触是均匀的。

2、活性污泥厌氧环境

活性污泥工艺作为一种新型的污水处理工艺，其污水的处理效果与其所产生的污水的总量、水质密切相关。Belone等利用十二烷基硫酸钠和双氧水对七种不同的聚合物(LLDPE， HDPE， PP， PS， PET，PA66和 SBR)进行了性质，表面性质，机械性质，热性质，功能基团的改变。研究发现，对于低密度聚乙烯，高密度聚乙烯、聚丙烯、多糖及 PET，其生物降解率均不显著[3]。

3、高固态厌氧环境

高固相厌氧消化技术是指在高固相环境下利用高固相厌氧发酵产甲烷的一种技术。高固体厌氧发酵的分解过程通常分为三个阶段：液态、酸形成和甲烷产生，这三个阶段由两个功能性微生物组组成：产生挥发性脂肪酸（酸）的微生物和产生挥发性脂肪酸（酸）的微生物。它消耗挥发性脂肪酸来产生甲烷（丙酮和甲烷细菌）。与甲烷细菌不同，产生脂肪酸的细菌生长更快，导致脂肪酸不及时转化为甲烷，从而降低系统中的pH值。从而对产甲烷菌的增殖造成了一定的影响。

（三）其他检测方法

1、特定微生物侵蚀法

具体的微生物腐蚀方法是根据微生物腐蚀的情况来判断其可生物降解特性的方法。在这种方法中，样品被放置在固体琼脂培养基中，与特定的无有机碳微生物一起，以定性评估表面微生物的生长状况、样品质量的损失以及4周后在一定温度和湿度下的其他性能变化。假单胞菌(Pseudomonas polymorphicus)是一株从土壤中筛选到的可降解多种塑料制品的微生物。Li Jiaojie等通过对来自"超级蚯蚓"肠道的一种细菌(PPS)的一项研究，提出了一种新的选择体系的新思想，可以用来对比并检验各种塑料在10天这个短促的反应周期中的降解效果有关的国际标准化组织如 ISO 846-1997对塑料的微生物行为进行评估。该技术具有简便、重现性好等优点，是一种常用的快速评估技术，但目前还不能给出其最后的降解速率。

2、酶催化降解实验

在实验室中，通常采用酶促降解试验来快速评估聚合物的可降解性能。相对于传统的非生物催化，酶法在催化过程中表现出了高效、特异性、温和、易调节等特性。考虑到黑曲霉、皱纹假丝酵母、枯草芽孢杆菌和假单胞菌都已经被证实可以在一定程度上发挥出对聚氨酯类的生物降解作用， Natasha等以牛血清白蛋白(BSA)作为负对比，选择了四种可用的酶作为分解聚氨酯泡沫颗粒的酶：褪黑素脂酶、皱纹假细胞酵母脂酶、缬氨酸酶和假细胞胆固醇。通过气相色谱-质谱法和液相色谱-色谱法鉴定了聚氨酯降解产物。

三、结语

我国聚合物的产量与用量已经达到了全球的最高水平，而且每年都会产生上千万吨的废旧物品。生物可降解物质是一种能被天然微生物如细菌，霉菌，海藻等彻底分解成小分子物质的物质。这类材料贮存简便，无需遮荫，只需要保证其干爽即可，适用于各种领域，希望本文可以给可降解材料领域的测试和研究工作带来一些借鉴。

参考文献

[1]刘海旺,王相茹,梁芮等.生物可降解高分子材料在外科领域的应用[J].粘接,2022,49(12):90-93.

[2]黄开胜,赵彦,张锡辉等.高分子材料生物降解性检测方法研究进展[J].中国测试,2022,48(10):16-24+31.

[3]王如平,王彦明,王泽虎等.生物可降解高分子材料应用研究进展[J].山东化工,2022,51(05):98-99+103.DOI:10.19319/j.cnki.issn.1008-021x.2022.05.021.