韓 娜,張春惠,盧 紅,賴金龍,吳 國,陶宗婭

(四川師范大學 生命科學學院,四川 成都 610101)

土壤中低相對分子質(zhì)量聚乙烯(L-PE)的提取及其降解特性研究

韓 娜,張春惠,盧 紅,賴金龍,吳 國,陶宗婭*

(四川師范大學 生命科學學院,四川 成都 610101)

環(huán)境可降解地膜降解后形成大量低相對分子質(zhì)量殘體,這些低相對分子質(zhì)量殘留物累積在土壤耕作層,對土壤微環(huán)境及作物生長發(fā)育構(gòu)成潛在危害.這些殘留物可在土壤中進一步降解,但其降解進程尚不清楚.研究這類低相對分子質(zhì)量殘留物碎化降解和無機礦化進程,對進一步優(yōu)化可降解地膜配方、生產(chǎn)工藝及提高可降解地膜的環(huán)境安全性具有重要的實踐意義.選用相對分子質(zhì)量分別為2 000(M1)、5 000(M2)和100 000以上(M3)的聚乙烯 (L-PE),以不同累積量(1、10、50和100 a量)添加到不同質(zhì)地 (壤土、砂土、黏土) 的土壤中,經(jīng)盆栽種植一季小麥后,采用十氫萘高溫融化法從土壤中提取L-PE,用凝膠滲透色譜法(GPC)檢測L-PE相對分子質(zhì)量及其分布的變化.結(jié)果顯示,十氫萘高溫融化法未改變L-PE的結(jié)構(gòu)特征;L-PE相對分子質(zhì)量大于5 000時,其提取率達74.47%～97.48%,提取率隨相對分子質(zhì)量增加而提高;經(jīng)盆栽種植一季小麥后,添加到土壤中的3種相對分子質(zhì)量的L-PE(M1、M2、M3)均發(fā)生了不同程度的降解,降解效果為M3>M1>M2.

低相對分子質(zhì)量聚乙烯(L-PE); 提取率; 平均相對分子質(zhì)量表征參數(shù)

塑料地膜覆蓋栽培技術被譽為世界農(nóng)業(yè)發(fā)展史上的“白色革命”[1-3].隨著農(nóng)用地膜使用量快速增加,殘留在土壤中的塑料薄膜碎片逐年累積,造成土壤板結(jié)、通透性變差、肥力下降,嚴重影響農(nóng)作物的生長發(fā)育,甚至導致減產(chǎn),形成觸目驚心的“白色污染”[4-8].研究和推廣使用可降解塑料地膜已成為解決這一現(xiàn)實問題的有效途徑之一[9].現(xiàn)階段可降解地膜主要有光降解地膜、生物降解地膜和光-生物復合降解地膜[10].可降解地膜逐步降解后,形成相對分子質(zhì)量較低的聚合物,如聚氯乙烯(PVC) 、氯化聚乙烯(PE2C)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)、低相對分子質(zhì)量聚乙烯(L-PE)等.這些小分子殘留物性質(zhì)穩(wěn)定、疏水性強,對土壤微環(huán)境及農(nóng)作物生長產(chǎn)生深遠的影響[11-18].另一方面,可降解地膜及其主成分聚乙烯等在土壤中的降解特性,也受到極大的關注.周藝峰等[19]采用力學性能測試法和紅外光譜法,測定自制的光-生物雙降解聚乙烯地膜的力學性能和化學結(jié)構(gòu)變化;結(jié)果表明,地膜在降解初期是由于光敏劑引發(fā)的光降解,當聚乙烯相對分子質(zhì)量降至5 000 左右時,受微生物侵蝕,具有了生物降解性.也有學者致力于構(gòu)建從土壤中分離提取低相對分子質(zhì)量殘留物的方法,樊有國等[20]采用索氏提取法從土壤中分離提取聚乙烯粉末狀殘留物.

當前,針對從土壤中分離提取可降解地膜主成分L-PE的方法、L-PE能否進一步降解、降解程度等相關研究鮮有報道.本文以L-PE為試材,將其添加到盆栽土壤中,模擬可降解地膜降解后形成的粉末狀殘留物,種植一季小麥后,采用十氫萘高溫融化法從盆栽土壤中分離提取殘留的L-PE,并優(yōu)化提取流程;采用凝膠滲透色譜法(GPC)測試分析L-PE相對分子質(zhì)量及其分布的變化,初步探究L-PE在土壤中的降解特性,為評估環(huán)境可降解地膜的降解產(chǎn)物L-PE的環(huán)境安全性提供實踐依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料供試小麥(TriticumaestivumL.)品名為川農(nóng)16,購于四川農(nóng)科種業(yè)有限公司.供試L-PE 的相對分子質(zhì)量分別為2 000(M1)、5 000(M2)和100 000以上(M3),購于中國石油化工股份公司茂名分公司.供試土壤質(zhì)地為壤土、沙土、黏土,其基本理化性質(zhì)見表1.

表1 供試土壤樣品基本理化性質(zhì)Table 1 The basic physical and chemical properties of the soil samples

1.2 實驗設計

1.2.1 土壤中不同L-PE累積量及提取率 將3種相對分子質(zhì)量(M1、M2、M3)的L-PE分別添加在3種質(zhì)地(壤土、沙土、黏土)的土壤中,其添加量是根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中90 kg/hm2覆膜量及覆膜1 a和連續(xù)覆膜5、10、50、100 a所需的覆膜量,分別折算為每千克土的L-PE添加量,即0.042 41 g/kg(1 a量)、0.212 05 g/kg(5 a量)、0.424 1 g/kg(10 a量)、2.120 5 g/kg(50 a量)和4.241 0 g/kg(100 a量)[21].準確稱取L-PE添加到3種不同質(zhì)地的土壤中,混勻,以不添加L-PE為對照0(CK0).待盆栽小麥成熟收獲后,從土壤中提取L-PE.

1.2.2 L-PE相對分子質(zhì)量及其分布測定 以M1、M2、M3原料作為對照1(CK1組);將M1、M2、M3按照上述5種累積量添加到無污染的土壤中,混勻后立即分離提取得到的L-PE作為對照2(CK2組);將M1、M2、M3按照上述5種累積量添加到無污染的土壤中,混勻,種植一季小麥后,從盆栽土壤中提取的L-PE為實驗組(S組).采用凝膠滲透色譜法(GPC)檢測CK1、CK2和S組的L-PE相對分子質(zhì)量及其分布的變化.

1.3 實驗方法

1.3.1 從土壤中提取L-PE 參照何晶[22]的方法,加以優(yōu)化和修改,稱為十氫萘高溫融化法.具體步驟:1) 粗提:按混合取樣原則稱取盆栽土壤20 g置于燒杯中,加入蒸餾水淹沒土壤5 cm左右,用玻棒充分攪拌,靜置10 min,待泥土沉淀、白色小顆?；蚍勰罹垡蚁└∮谒婧?將液體轉(zhuǎn)移至50 mL離心管,這一過程需多次進行,合并液體,常溫下離心5 min,5 000 r/min;將上層液體倒入砂芯漏斗,抽濾,烘干.2) 提純:用鑷子或藥匙小心將砂芯漏斗中的L-PE混合物刮下,轉(zhuǎn)移至凱氏燒瓶,加入20 mL十氫萘,電熱套加溫至150 ℃,保溫10～15 min;待L-PE完全溶解后,用布氏漏斗抽濾,立即將濾液轉(zhuǎn)移至潔凈培養(yǎng)皿中,置通風櫥,待十氫萘完全揮發(fā)后,稱重,計算L-PE提取率(%),保存樣品備用.

1.3.2 L-PE相對分子質(zhì)量及其分布的檢測 采用凝膠滲透色譜法(美國WATERS:150C ALC/GPC,檢測機構(gòu):中藍晨光化工研究院).色譜條件:GPC色譜柱為styargel 103、102、50、10 nm,4根柱串聯(lián);測試溫度(體系溫度)105 ℃;流速1.0 mL/min;流動相:對二甲苯.聚合物相對分子質(zhì)量的表征參數(shù):數(shù)均相對分子質(zhì)量(Mn)、重均相對分子質(zhì)量(Mw)、Z均相對分子質(zhì)量(Mz)、粘均相對分子質(zhì)量(Mv)和多分散性系數(shù)(D)[21].

1.4 數(shù)據(jù)分析L-PE提取率(%)=單位質(zhì)量土壤中L-PE的提取量/單位質(zhì)量土壤中L-PE的添加量×100.采用SPSS 18.0進行統(tǒng)計分析,LSD多重比較.

2 結(jié)果與分析

2.1 L-PE相對分子質(zhì)量、累積量及土壤質(zhì)地對提取率的影響表2可知,從不同質(zhì)地土壤中提取L-PE,M2(相對分子質(zhì)量為5 000的L-PE)的提取率可達74.47%～ 92.50%,M3(相對分子質(zhì)量100 000以上的L-PE)的提取率可達83.60%～97.48%.總體上看,M3的提取率高于M2,表明隨著L-PE相對分子質(zhì)量增加,從不同質(zhì)地土壤中的提取率不同程度地提高.隨著L-PE累積量的升高,M2、M3提取率總體上呈現(xiàn)先下降后上升趨勢,其中M2從壤土中5、10 a累積量的提取率顯著低于(P<0.05)1 a累積量的提取率,M3從3種質(zhì)地土壤中5 a累積量的提取率均顯著低于(P<0.05)1 a累積量的提取率,但 M2、M3從3種質(zhì)地土壤中的提取率無顯著性差異(P>0.05),表明本文采用的從土壤中提取L-PE的方法適合于不同質(zhì)地的土壤.

表2 不同土壤質(zhì)地和L-PE累積量對L-PE提取率的影響 Table 2 Effects of different soil texture and L-PE accumulation on extraction rates of L-PE

注:a表示在L-PE累積量相同情況下,從不同土壤質(zhì)地中提取L-PE的提取率無顯著性差異(P>0.05);A、B表示在土壤質(zhì) 地相同情況下,從L-PE累積量不同的土壤中提取L-PE的提取率之間呈顯著性差異(P<0.05).下同.

經(jīng)多次反復實驗表明,M1從不同質(zhì)地土壤中的提取率均很低(<20.0%),其實驗結(jié)果在表2及文中未列出,這可能是由于M1呈細粉末狀,并與土壤顆粒緊密結(jié)合所致.因此,該方法不適用于相對分子質(zhì)量低于2 000的L-PE從土壤中的分離提取.

綜上,采用本文所述的十氫萘高溫融化方法,M2從土壤中的提取率達到74%以上,M3可達83%以上,對M2、M3都有較高的提取率,且隨著L-PE相對分子質(zhì)量增加,其提取率不同程度提高,表明該方法可用于從不同質(zhì)地土壤中,提取L-PE相對分子質(zhì)量大于5 000的環(huán)境可降解地膜降解后的殘留物.

2.2 L-PE相對分子質(zhì)量及其分布的變化前已提到,從不同質(zhì)地土壤中提取M1的提取率均很低,本研究用提取到的少量M1用于其相對分子質(zhì)量及其分布的檢測.分別對M1、M2、M3的原料(CK1組)、添加到土壤中混勻后立即提取的L-PE(CK2組)、種植一季小麥后從土壤中提取的L-PE(S組)進行GPC檢測.檢測物的相對分子質(zhì)量越低,洗脫時間越長.

結(jié)果表明(表3),3種相對分子質(zhì)量L-PE的CK1、CK2的峰值時間基本沒有變化;與CK1、CK2比較,S組的峰值時間均有所延長.因此,本文采用的十氫萘高溫融化法不會造成L-PE相對分子質(zhì)量的改變;同時表明種植一季小麥后,從土壤中提取的M1、M2、M3的相對分子質(zhì)量均有所降低.可以推測,添加在土壤中的L-PE能夠發(fā)生一定程度的降解.

表3 不同來源L-PE的GPC檢測結(jié)果Table 3 The results of L-PE from different treatments by the method of GPC

注:CK1組為原料,CK2組和S組為提取自小麥盆栽壤土;提 取自沙土和黏土的測試分析結(jié)果未列入.下同.

表4可見,3種相對分子質(zhì)量M1、M2、M3的不同處理中,S組L-PE的各相對分子質(zhì)量均低于CK1和CK2,即從小麥成熟期后的盆栽土壤中提取的L-PE的表征參數(shù)值均相對最低;3種相對分子質(zhì)量L-PE的多分散性系數(shù)(D)為M3>M2>M1,表明經(jīng)種植一季小麥后,土壤中的L-PE均不同程度降低,且M3降解殘留物的相對分子質(zhì)量的分布更廣,分散性更強.

進一步分析可知(表5),與CK1、CK2比較,M1的S組(S/CK1、S/CK2)的各表征參數(shù)相對變化率主要表現(xiàn)為降低,其中Mn分別降低了8.07%和18.69%,Mz分別降低了15.38%和21.47%,Mv分別降低了8.07%和18.68%,D也分別降低了10.5%和5.42%,表明M1在土壤中存在一段時間后發(fā)生了不同程度的降解.與CK1、CK2比較,M2的S處理的各表征參數(shù)相對變化率較小,表明M2在土壤中的降解程度低于M1.M3的S組Mn、Mw、Mz、Mv的相對變化率均顯著降低,其中Mz降低達52.35%,D值增加了3.11%,表明添加在土壤中的M3經(jīng)過小麥從種植到成熟一個生長季后,其相對分子質(zhì)量大幅降低,更易于降解,且形成相對分子質(zhì)量大小不均一的降解殘留物.

表4 不同處理對L-PE平均相對分子質(zhì)量表征參數(shù)的影響Table 4 Effects of different treatments on the changes of the characteristic parameters of L-PE average molecular weight

表5 不同處理對L-PE平均相對分子質(zhì)量表征參數(shù)相對變化率(%)的影響Table 5 Effects of different treatments on the relative change ratios(%) of the characteristic parameters of L-PE average molecular weight

3 討論

聚乙烯屬于線性飽和碳氫化合物,其結(jié)構(gòu)與石蠟的長鏈烷烴類似,相對分子質(zhì)量大都在2萬以上.聚乙烯生物降解的難易程度直接與其相對分子質(zhì)量有關.一般情況下,聚乙烯在土壤中完全被微生物同化并降解成CO2和水,實現(xiàn)無機礦化,大約需要200～400 a,導致以聚乙烯為主要成分的塑料廢棄物和農(nóng)用地膜殘留物在環(huán)境中大量積累[23-27].環(huán)境可降解地膜的降解周期短[7],降解后主要形成膜碎片及低相對分子質(zhì)量殘體(如L-PE).研究表明,土壤中一定累積量的L-PE對農(nóng)作物并無不利影響[12],但殘留物過多難免會造成環(huán)境污染及資源浪費.研究可降解地膜殘留物低相對分子質(zhì)量碎化過程和無機礦化進程,對優(yōu)化可降解地膜配方、生產(chǎn)工藝及提高可降解地膜的環(huán)境安全性和友好性具有重要的實踐意義.

本研究采用十氫萘作為提取劑,改良提取流程和控制參數(shù),分離提取回收土壤中的L-PE及其降解殘留物開展進一步研究,結(jié)果顯示,當L-PE相對分子質(zhì)量大于5 000時,提取效果較好,方法穩(wěn)定可靠.凝膠滲透色譜法(GPC)分析聚合物相對分子質(zhì)量及其分布,樣品制備簡便,檢測快速,且具有良好的重復性和再現(xiàn)性,為分析聚合物相對分子質(zhì)量及其分布提供了一種可靠、快捷的檢測手段[28].本研究應用GPC法中的峰值時間分析不同處理下L-PE(表3)的相對分子質(zhì)量,結(jié)果顯示,CK1、CK2的峰值時間基本相同,表明L-PE相對分子質(zhì)量基本沒有改變,這說明十氫萘高溫融化法提取L-PE不會改變聚合物或殘留物本身的結(jié)構(gòu)特征,未發(fā)生降解或聚合反應.因此該方法可用于對環(huán)境可降解地膜降解形成的低相對分子質(zhì)量聚合物是否進一步發(fā)生降解及其降解程度的研究.

除少數(shù)天然高分子如蛋白質(zhì)、DNA等外,高分子聚合物的相對分子質(zhì)量大,往往由許多相同且簡單的結(jié)構(gòu)單元通過共價鍵重復連接而成,具有相對分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的多分散性,其相對分子質(zhì)量實質(zhì)上都是指平均相對分子質(zhì)量.由于統(tǒng)計方法不同,可有4種平均相對分子質(zhì)量,即數(shù)均相對分子質(zhì)量(Mn)、重均相對分子質(zhì)量(Mw)、Z均相對分子質(zhì)量(Mz)和粘均相對分子質(zhì)量(Mv).Mn強調(diào)某一范圍中分子數(shù)量最多的部分對平均相對分子質(zhì)量做出的貢獻,Mw強調(diào)相對分子質(zhì)量最高的部分對平均相對分子質(zhì)量做出的貢獻,Mz可近似理解為高相對分子質(zhì)量部分所占比重,反映高相對分子質(zhì)量、超高相對分子質(zhì)量組分的相對分子質(zhì)量信息,Mv一般介于數(shù)均相對分子質(zhì)量與重均相對分子質(zhì)量之間.本研究顯示,十氫萘高溫融化法不會造成L-PE的結(jié)構(gòu)和相對分子質(zhì)量發(fā)生明顯改變,但CK2的4種平均相對分子質(zhì)量比CK1均有所增加(表4),多分散性系數(shù)(D)減小,可能是由于經(jīng)十氫萘高溫融化后,L-PE相對分子質(zhì)量相對集中.從小麥盆栽土壤中提取的L-PE(S組)出峰時間延長,平均相對分子質(zhì)量檢測結(jié)果均低于CK1和CK2,且Mn和Mw明顯降低,D值提高,表明添加在土壤中的L-PE發(fā)生了不同程度的降解,其降解程度為M3>M1>M2.

綜上所述,本文構(gòu)建和優(yōu)化了十氫萘高溫融化法提取L-PE的技術流程,提取率高,穩(wěn)定性好.采用凝膠滲透色譜法(GPC)可精準檢測L-PE相對分子質(zhì)量及其分布的變化,為環(huán)境可降解地膜殘留物低相對分子質(zhì)量碎化和礦化研究提供實踐依據(jù).將L-PE添加在種植小麥的土壤中一段時間后,不同相對分子質(zhì)量的L-PE(M1、M2和M3)均可發(fā)生不同程度的降解,且M3降解程度最大,其次是M1,最終實現(xiàn)可降解地膜的無害化以及環(huán)境友好性和安全性.

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(編輯 余 毅)

Study on Extraction Rates and Degradation Characteristicsof Low Relative Molecular Weight Polyethylene (L-PE) in Potted-Soil

HAN Na,ZHANG Chunhui,LU Hong,LAI Jinlong,WU Guo,TAO Zongya

(CollegeofLifeScience,SichuanNormalUniversity,Chengdu610101,Sichuan)

Biodegradable plastic mulch film was degraded to form a large number of relative low molecular weight residues,which were accumulated in plough horizon so much and had caused latent risk to the soil microenvironment and the growth and development of crop.These residues can be further degradation in soil,but they are not clear in the process of further degradation.The research on the process of fragmentation and biomineralization of the relative low molecular weight residues was of great practical significance for optimizing the formula and production technology of biodegradable plastic mulch film and for evaluating the environmental safety of the degradable mulch film.In the experiments,low relative molecular weight polyethylene (L-PE) with different relative molecular weight of 2 000(M1),5 000(M2),100 000 above (M3) and different accumulation (1,10,50,100 year respectively) were added into potted-soils with different soil texture (loam,sandy soil and clay),in which wheat were planted.When the wheat were ripe and harvested,L-PE was extracted from the soils by decahydronaphthalene,and the relative molecular weight and their distribution changes were detected by the method of the gel permeation chromatography (GPC) .The results showed that the structure characteristics of L-PE was not obviously changed by the method of decahydronaphthalene and high temperature melting.When the relative molecular weight of L-PE were more than 5 000,the extraction rate were 74.47%～97.48%,and the rates were greater as the increase of L-PE relative molecular weight.Experienced a growing season of wheat,L-PE (M1,M2,M3) could be degraded in different degrees in the potted-soils,the degradation effects was M3>M1>M2.

low relative molecular weight polyethylene (L-PE); extraction rate; the characteristic parameters of L-PE average relative molecular weight

2016-02-21

國家核設施退役及放射性廢物治理重點項目(14ZG6101)、四川省教育廳自然科學重點基金(14ZA0030)和地方高校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201610636090)

X53

A

1001-8395(2017)02-0228-06

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.02.015

*通信作者簡介:陶宗婭(1957—),女,教授,主要從事植物逆境生理生化及分子生物學的研究,E-mail:t89807596@163.com