趙 偉,李 宇,張 瑋,朱科樺,周 珂,呂 晴,劉詩(shī)嫻,葛振鳴

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200241;2.3M 中國(guó)有限公司 中國(guó)研發(fā)中心,上海 200233）

0 引 言

塑料由于其較低的成本、高耐用性和強(qiáng)柔韌性且易于加工和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于建筑、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)等各個(gè)行業(yè).但大量難降解的塑料制品廢棄后,由于不當(dāng)處置會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染、動(dòng)物誤食后死亡等嚴(yán)重后果.因此,近年來(lái)我國(guó)政府大力倡導(dǎo)和支持可生物降解材料的應(yīng)用.因其具有良好的降解性能,且最終降解產(chǎn)物(CO2和H2O 等)不會(huì)對(duì)環(huán)境造成威脅,所以得到了許多科研機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)企業(yè)的青睞.在企業(yè)研發(fā)及生產(chǎn)可降解材料的過(guò)程中,檢測(cè)產(chǎn)品的降解性能是極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié),而選擇適宜的方法是進(jìn)行降解率檢測(cè)的前提條件.

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的塑料生物降解方式可根據(jù)氧氣條件和降解介質(zhì)的不同分為淡水需氧環(huán)境(GB/T 19276.2)、海水需氧環(huán)境(ISO 22404)、土壤需氧環(huán)境(GB/T 22047)、堆肥需氧環(huán)境(GB/T 19277)、水性培養(yǎng)液厭氧消化環(huán)境(ISO 14853)、受控污泥厭氧消化環(huán)境(ISO 13975)等.測(cè)量方法主要包括測(cè)定降解過(guò)程中CO2的產(chǎn)量和密閉呼吸計(jì)中需氧量?jī)煞N,降解檢測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)可至24 個(gè)月.國(guó)際上的主流標(biāo)準(zhǔn),包括美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5338、歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 14995 和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19277,都是在有氧堆肥條件下降解材料,同時(shí)采用測(cè)定CO2產(chǎn)量的方法來(lái)計(jì)算降解率.然而,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定材料降解率的時(shí)間普遍較長(zhǎng)(約6 個(gè)月),這不利于企業(yè)對(duì)可降解材料降解性能的快速評(píng)估,從而延遲了產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)周期.因此,在現(xiàn)有的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)下,優(yōu)化降解材料的處理方法以提高材料降解率的測(cè)定效率是十分必要的.

塑料的降解受到環(huán)境中非生物因素和生物因素的共同影響,降解方式有光降解、熱降解、機(jī)械降解和生物降解[1].在生物降解過(guò)程中,主要是由動(dòng)物、植物、微生物和酶發(fā)揮作用[2],其中微生物降解得到了廣泛研究.許多微生物種群都具有塑料降解能力,如芽孢桿菌屬(Bacillussp.)和假單胞菌屬(Pseudomonassp.)微生物對(duì)聚合物有較好的降解效率[3].特定微生物主要通過(guò)在聚合物表面定殖,形成一層特殊的生物膜,并進(jìn)一步分泌降解相關(guān)酶類來(lái)加速材料的降解.但在培養(yǎng)溫度較高及測(cè)試周期較長(zhǎng)的情況下,微生物的活性可能會(huì)受到抑制.而嗜熱菌(thermophilic bacteria)在需氧或兼性厭氧環(huán)境下均可生長(zhǎng),而且會(huì)分泌降解聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性酶,高于常溫的溫度也有利于嗜熱菌在降解實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮作用[4-5].Skariyachan 等[6]研究表明,從污水處理廠和垃圾填埋場(chǎng)中篩選出的兩種嗜熱菌的共同作用增強(qiáng)了對(duì)聚乙烯(polyethylene,PE)和聚丙烯(polypropylene,PP)聚合物的降解.因此,篩選適宜的菌株進(jìn)行混合培養(yǎng),有利于提高產(chǎn)品生物降解率測(cè)定的效率[2].

本研究共采用了4 種不同的降解處理方法,包括兩種標(biāo)準(zhǔn)方法和兩種特定微生物添加方法.測(cè)試材料為生產(chǎn)環(huán)保膠帶所用的原紙、薄膜材料及膠帶成品.通過(guò)評(píng)估材料在不同處理下的生物降解速率,篩選出能夠更加有效和快速降解材料的方法,為企業(yè)縮短研發(fā)和生產(chǎn)周期等提供新的思路.

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《受控堆肥條件下材料最終需氧生物分解能力的測(cè)定采用測(cè)定釋放的二氧化碳的方法第1部分: 通用方法》(GB/T 19277.1—2011)[7],采用色譜級(jí)微晶纖維素(上?；瘜W(xué)試劑公司)作為正控制參比材料.受測(cè)材料來(lái)自3M 中國(guó)有限公司提供的環(huán)保膠帶(鑒于商業(yè)保密協(xié)議,未給出材料型號(hào)與配方),包括原紙、PLA(polylactic acid)薄膜和膠帶成品3 種材料.試樣材料基本參數(shù)如表1 所示.

表1 受測(cè)材料基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the test materials

其他實(shí)驗(yàn)試劑和材料主要包括氫氧化鈉(NaOH,分析純,國(guó)藥集團(tuán))、營(yíng)養(yǎng)瓊脂(北京陸橋技術(shù)股份有限公司)、枯草芽孢桿菌(3M 中國(guó)有限公司)、嗜熱菌(鑒于商業(yè)保密協(xié)議,未給出菌株名稱,3M 中國(guó)有限公司)、腐熟堆肥料(上海蔓香園林綠化有限公司)、蛭石(上海蔓香園林綠化有限公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)定原理

實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖1 所示.氣泵和1 mol/L NaOH 用來(lái)提供無(wú)CO2的空氣,生物降解培養(yǎng)瓶中排放出的氣體可直接由紅外氣體分析儀進(jìn)行測(cè)量.

圖1 測(cè)定材料生物降解率的裝置示意圖Fig.1 Layout of the test system adopted for measuring material biodegradation rates

受測(cè)材料與受控堆肥混合后,受測(cè)材料在需氧生物分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CO2、水及腐殖質(zhì)等物質(zhì).在生物降解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)監(jiān)測(cè)每日產(chǎn)生的CO2量,并計(jì)算CO2累積釋放量.生物降解率即為實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)受測(cè)材料的CO2累積釋放量和CO2理論釋放量之間的比值.

整個(gè)測(cè)試周期所需要的儀器設(shè)備包括電熱恒溫培養(yǎng)箱、氣泵和紅外氣體分析儀Li-840A(美國(guó)Li-Cor 公司).

1.3 方法設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)GB/T 19277.1—2011 的技術(shù)要求,測(cè)定材料生物分解能力可以采用堆肥和活化蛭石兩種底物作為受測(cè)材料的反應(yīng)固床.本研究設(shè)計(jì)了4 種不同的處理方法,對(duì)受測(cè)材料進(jìn)行生物分解實(shí)驗(yàn).

方法1: 將600 g 的腐熟肥料和100 g 的受測(cè)材料(預(yù)先進(jìn)行裁切,約5 mm × 5 mm)混合均勻,放置在3 L 的培養(yǎng)瓶中.使用超純水將混合物的相對(duì)濕度調(diào)節(jié)至50%～ 60%.培養(yǎng)瓶頂端有兩個(gè)直徑為7 mm 的氣孔,用來(lái)連接氣體分析儀和放有堿溶液的洗氣瓶.記錄下頂部空間體積用于后續(xù)的計(jì)算.

方法2: 將600 g 的蛭石和100 g 的受測(cè)材料(預(yù)先進(jìn)行裁切,約5 mm × 5 mm)混合均勻,放置在3 L 的培養(yǎng)瓶中,添加500 mL 腐熟肥料浸提液,并配置營(yíng)養(yǎng)液[7].使用超純水將混合物的相對(duì)濕度調(diào)節(jié)至50%～ 60%.培養(yǎng)瓶頂端有兩個(gè)直徑為7 mm 的氣孔,用來(lái)連接氣體分析儀和放有堿溶液的洗氣瓶.記錄下頂部空間體積用于后續(xù)的計(jì)算.

方法3: 將600 g 的蛭石和100 g 的受測(cè)材料(預(yù)先進(jìn)行裁切,約5 mm × 5 mm)混合均勻,放置在3 L 的培養(yǎng)瓶中,添加2.0 g 營(yíng)養(yǎng)瓊脂和20 mL 枯草芽孢桿菌菌懸液(1 × 108CFU/mL),并配置營(yíng)養(yǎng)液[7].使用超純水將混合物的相對(duì)濕度調(diào)節(jié)至50%～ 60%.培養(yǎng)瓶頂端有兩個(gè)直徑為7 mm 的氣孔,用來(lái)連接氣體分析儀和放有堿溶液的洗氣瓶.記錄下頂部空間體積用于后續(xù)的計(jì)算.

方法4: 將600 g 的蛭石和100 g 的受測(cè)材料(預(yù)先進(jìn)行裁切,約5 mm × 5 mm)混合均勻,每個(gè)試驗(yàn)容器中加入2.0 g 營(yíng)養(yǎng)瓊脂和20 mL 嗜熱菌菌懸液(1 × 108CFU/mL),并配置營(yíng)養(yǎng)液[7].使用超純水將混合物的相對(duì)濕度調(diào)節(jié)至50%～ 60%.培養(yǎng)瓶頂端有兩個(gè)直徑為7 mm 的氣孔,用來(lái)連接氣體分析儀和放有堿溶液的洗氣瓶.記錄下頂部空間體積用于后續(xù)的計(jì)算.

實(shí)驗(yàn)包括空白組(不加入受測(cè)材料)、參比組(纖維素)、受測(cè)材料組,每組3 個(gè)重復(fù).樣品混合后,使用水飽和的、不含CO2的、經(jīng)1 mol/L NaOH 溶液吸收過(guò)的空氣對(duì)混合物進(jìn)行曝氣處理,使用帶彈簧止水夾的乳膠管將培養(yǎng)瓶密封后放入恒溫培養(yǎng)箱,培養(yǎng)溫度為(58±2)℃.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,每周攪拌一次混合物,防止底部板結(jié)影響微生物的分解作用,隔3～ 4 d 根據(jù)實(shí)際情況補(bǔ)充水分,保證混合物的相對(duì)濕度.每隔約24 h 對(duì)每個(gè)培養(yǎng)瓶中產(chǎn)生的CO2進(jìn)行測(cè)定,并計(jì)算材料的生物分解率.當(dāng)降解率曲線處于上升期后的平穩(wěn)狀態(tài)時(shí),此時(shí)的降解率即為材料在該方法下的最終生物降解率,測(cè)試周期為60 d.

1.4 分解率計(jì)算和數(shù)據(jù)分析

依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19277.1—2011[7],絕對(duì)分解率(DT)公式:

式(1)中:DT為生物絕對(duì)分解率(%),TCO2為測(cè)試組的CO2累積釋放量(g),BCO2為空白組的CO2累積釋放量(g),tCO2為試驗(yàn)材料的CO2理論釋放量(g).

相對(duì)分解率(DR)公式:

式(2)中:DR為生物相對(duì)分解率(%),DT-M為材料的絕對(duì)分解率(%),DT-R為參比的絕對(duì)分解率(%).

最終結(jié)果表示為每個(gè)處理中3 個(gè)重復(fù)的平均值,使用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著性差異法(least significant difference,LSD)多重比較相結(jié)合,檢測(cè)在4 種不同的處理方法下,不同材料降解率的顯著變化(p＜0.05).所有數(shù)據(jù)的分析使用Microsoft Excel 2019 和SPSS 20.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)完成,并且使用Origin 2018(Origin Lab,Northampton,MA,USA)繪圖.

2 結(jié)果

2.1 材料在方法1(接種物: 腐熟堆肥料)下的降解情況

如圖2 所示,在使用方法1 時(shí),纖維素和原紙的CO2累積釋放量的曲線具有相似的時(shí)間變化趨勢(shì),兩種材料都在實(shí)驗(yàn)開始的前8 天快速分解,在第10 天后都進(jìn)入平穩(wěn)階段.PLA 薄膜的分解在實(shí)驗(yàn)30 d 后趨于穩(wěn)定.但對(duì)于膠帶成品來(lái)說(shuō),在60 d 的實(shí)驗(yàn)周期中并沒(méi)有快速降解階段,CO2的累積釋放量變化也較為平緩.在60 d 的實(shí)驗(yàn)周期中,使用方法1 測(cè)得的纖維素絕對(duì)降解率為77.0%,原紙絕對(duì)降解率為66.3%,PLA 薄膜絕對(duì)降解率為62.6%,原紙和PLA 薄膜的相對(duì)降解率都超過(guò)了80%.膠帶成品的絕對(duì)降解率僅為6.4%.

圖2 方法1 處理下CO2 累積釋放量(a)和生物降解率(b)的變化(±SD)Fig.2 Cumulative carbon dioxide emissions(a)and the biodegradation rates of materials obtained(b)using method 1(±SD)

2.2 材料在方法2(接種物: 蛭石+腐熟堆肥浸提液)下的降解情況

如圖3 所示,在使用方法2 時(shí),受測(cè)材料在前10 天都有一定程度的分解,纖維素在第10～ 14 天內(nèi)快速分解,第20 天后進(jìn)入穩(wěn)定期.PLA 薄膜在實(shí)驗(yàn)第26 天,CO2累積釋放量達(dá)到高峰值后趨于穩(wěn)定.原紙和膠帶成品兩種材料的降解在第9 天開始加快,一直持續(xù)到第30 天左右.在60 d 的實(shí)驗(yàn)周期中,使用方法2 測(cè)得的纖維素絕對(duì)降解率為75.2%,原紙絕對(duì)降解率為67.7%,PLA 薄膜絕對(duì)降解率為70.7%,原紙和PLA 薄膜的相對(duì)降解率都超過(guò)了90%.膠帶成品的絕對(duì)降解率為20.1%.

圖3 方法2 處理下CO2 累積釋放量(a)和生物降解率(b)的變化(±SD)Fig.3 Cumulative carbon dioxide emissions(a)and the biodegradation rates of materials obtained(b)using method 2(±SD)

2.3 材料在方法3(接種物: 蛭石+芽孢桿菌)下的降解情況

如圖4 所示,在使用方法3 時(shí),纖維素和原紙?jiān)诮到庵芷诘那?0 天快速分解,然后進(jìn)入穩(wěn)定期.PLA 薄膜的分解階段主要集中在前40 天,并且第20～ 40 天的降解速率高于第0～ 20 天的降解速率.膠帶成品的降解過(guò)程具有明顯的遲滯期,在第20 天左右快速分解,而后分解速率降低.在60 d 的實(shí)驗(yàn)周期中,使用方法3 測(cè)得的纖維素絕對(duì)降解率為71.0%,原紙絕對(duì)降解率為64.3%,PLA 薄膜絕對(duì)降解率為66.3%,原紙和PLA 薄膜的相對(duì)降解率都超過(guò)了90%.膠帶成品的絕對(duì)降解率為27.7%.

圖4 方法3 處理下CO2 累積釋放量(a)和生物降解率(b)的變化(±SD)Fig.4 Cumulative carbon dioxide emissions(a)and the biodegradation rates of materials obtained(b)using method 3(±SD)

2.4 材料在方法4(接種物: 蛭石+嗜熱菌)下的降解情況

在使用方法4 時(shí),相比于其他3 種方法,膠帶成品和PLA 薄膜的CO2累計(jì)釋放量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)所用的時(shí)間更長(zhǎng),持續(xù)了40 d 左右(圖5).纖維素和原紙的快速分解主要集中在前8 天,沒(méi)有出現(xiàn)分解前的遲滯期.在60 d 的實(shí)驗(yàn)周期中,使用方法4 測(cè)得的纖維素絕對(duì)降解率為71.2%,原紙絕對(duì)降解率為63.5%,PLA 薄膜絕對(duì)降解率為70.2%,原紙和PLA 薄膜的相對(duì)降解率都超過(guò)了90%.膠帶成品的絕對(duì)降解率為48.2%,相對(duì)降解率為69.7%.

圖5 方法4 處理下CO2 累積釋放量(a)和生物降解率(b)的變化(±SD)Fig.5 Cumulative carbon dioxide emissions(a)and the biodegradation rates of materials obtained(b)using method 4(±SD)

2.5 材料在4 種方法間降解率的比較

根據(jù)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19277.1—2011 的要求,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行45 d 后,參比材料的生物分解率超過(guò)70%才為有效.因此,本實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn).原紙?jiān)诟鞣N方法下的降解率差異不大(表2).PLA 薄膜在方法2、3、4 下的相對(duì)降解率均顯著高于方法1(p＜0.05).膠帶成品的降解率隨著方法的優(yōu)化顯著提高(p＜0.05,表2),且在使用方法4 時(shí)測(cè)得了降解率的最大值,體現(xiàn)出快速降解的趨勢(shì).

表2 試樣在4 種方法處理下的材料降解率的比較Tab.2 Comparisons between the degradation rates of samples obtained using the four methods

3 討 論

本研究用于測(cè)試的材料為纖維素(參比)、原紙、PLA 薄膜和膠帶成品.纖維素按照GB/T 19277.1—2011 要求的正控參比材料,降解率范圍在71.0%～ 77.0%,這與多數(shù)研究的試驗(yàn)結(jié)果一致.例如,于鏡華等[8]測(cè)試相同來(lái)源的纖維素生物降解率為73%,翁文宣等[9]的測(cè)試結(jié)果為76.9%.相對(duì)于參比材料的一致性,測(cè)試材料通常因研究而異,包括生物可降解的聚己內(nèi)酯(polycaprolactone,PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(polybutylene succinate,PBS)及不同材料成分的塑料制品[8,10-11].由于受測(cè)可降解產(chǎn)品一般為復(fù)合材料,故測(cè)試結(jié)果也具有一定的差異.例如,本研究中在堆肥條件下測(cè)得的PLA 薄膜的降解率范圍在62.6%～ 70.7%,謝淑華等[12]對(duì)PLA 膜袋的試驗(yàn)結(jié)果為64.2%,扈蓉等[13]測(cè)得PLA 膜片的生物降解率為88.4%.

有研究表明,生物可降解材料在自然環(huán)境條件下的降解效速率較慢[14],且降解率低于受控環(huán)境下降解效率.Al Hosni 等[15]在受控條件和自然環(huán)境下測(cè)試了4 種復(fù)合材料(分別是PHB(poly-βhydroxybutyrate)、PCL、PLA、PBS)的生物降解率,結(jié)果表明,在較高溫度的控制環(huán)境下,4 種聚合物都具有明顯的重量損失,而在自然環(huán)境中除了PCL 外其他材料并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化.同樣地,Kim 等[16]也發(fā)現(xiàn)PBS 的降解率在受控環(huán)境下比自然條件下高得多.有些研究證明,通過(guò)添加葡萄糖等額外碳源[17]、紫外線提前處理塑料薄膜[18]、熱處理塑料薄膜[19]、接種可降解塑料的菌種[20]等方法都能夠提高傳統(tǒng)材料的重量損失百分比,但其測(cè)試周期長(zhǎng)(通常時(shí)間超過(guò)90 d 甚至達(dá)到1 年),并且效果有限(重量損失小于40%,甚至低于10%).因此,在室內(nèi)受控堆肥條件下進(jìn)行生物分解試驗(yàn)時(shí),通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)處理方法從而加速塑料的降解效率是有必要的.

本研究結(jié)果表明,在使用方法2、3、4 進(jìn)行測(cè)試時(shí),纖維素和原紙均在前10 天快速降解,隨后降解率趨向穩(wěn)定.這是因?yàn)樵埐牧现饕煞质侵参锢w維,其纖維素鏈通過(guò)氫鍵連接,植物纖維長(zhǎng)鏈斷裂是其降解過(guò)程的初始步驟[21].微生物分泌產(chǎn)生的降解酶對(duì)纖維素具有高效的降解作用.比如,芽孢桿菌和假單胞菌會(huì)分泌高活性的纖維素酶,從而可將其分解成低分子量化合物(如寡糖類、多糖類物質(zhì)等)[22-23].而以上兩種材料在方法2 下的降解期集中在第10～ 20 天,這可能是由于在沒(méi)有外源添加微生物的條件下,腐熟堆肥浸提液中的微生物活性略低于原始堆肥,微生物需要一段時(shí)間的生長(zhǎng)期再作用于受測(cè)材料.PLA 是一種以乳酸單體合成的、具有良好的生物降解性能的高分子聚合物,有氧條件下會(huì)被降解為終產(chǎn)物CO2和H2O[24].但在PLA 膜的制備過(guò)程中,通常會(huì)加入氯仿、冰乙酸、乙酸甲酯等溶劑用于溶解PLA,這可能會(huì)影響其降解性能.因此,受測(cè)材料降解機(jī)理和材料物化性質(zhì)的差異可對(duì)降解現(xiàn)象的不同作出解釋.

在不同方法下,原紙和PLA 薄膜的降解率無(wú)顯著差異,而膠帶成品在方法1 和方法2 下的降解率較低,在方法3 和方法4 下的降解率較高.這可能是因?yàn)槟z帶成品在性質(zhì)上屬于成分復(fù)雜的復(fù)合高分子聚合物,通常由離層型(塑料薄膜)、基材層(載體)及膠粘層(膠質(zhì))共同構(gòu)成[25].在堆肥過(guò)程中,微生物需要對(duì)膠帶成品進(jìn)行逐層降解,復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使其對(duì)降解接種物有更高的選擇性,降解過(guò)程中受到的影響也更為復(fù)雜.比如,較高的堆肥溫度不利于非嗜熱微生物的生長(zhǎng)和繁殖,還可能會(huì)導(dǎo)致微生物死亡以及酶降解活動(dòng)停止,從而會(huì)影響膠帶成品的最終降解率[26].同時(shí),方法1 和方法2 中的營(yíng)養(yǎng)物和能量隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加會(huì)被微生物逐漸消耗,需要加入額外的能量來(lái)源以促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和生物降解[17,27],而不同的培養(yǎng)基通?？梢蕴峁┎煌臓I(yíng)養(yǎng)成分,包括碳源、氮源、生長(zhǎng)因子和無(wú)機(jī)鹽等[28],這有利于微生物的生長(zhǎng)代謝和繁殖.因此,本研究為進(jìn)一步加快材料的降解速率,在方法3 中加入了枯草芽孢桿菌菌懸液.芽孢桿菌屬在塑料降解中發(fā)揮著重要作用,有研究表明,一種從塑料堆肥中提取出的解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)會(huì)導(dǎo)致線性低密度聚乙烯(linear low density polyethylene,LLDPE)表面破碎[29];從土壤中分離得到的一種短小芽孢桿菌菌株(Bacillus pumilusstrain 1-A)對(duì)PBS 的降解率達(dá)到了90%(14 d),對(duì)聚丁二酸-己二酸丁二酯(adipic acid-1,4-butanediol-succinic acid copolymer,PBSA)樹脂更是達(dá)到了100%[30].參與塑料生物降解的微生物存在于土壤、海水、堆肥等多種自然環(huán)境中,可以通過(guò)分泌不同的酶發(fā)揮作用,利用塑料作為碳源來(lái)加快聚合物的降解[25].多項(xiàng)研究已證明了微生物具有優(yōu)良的可降解性能,在接種假單胞菌(Pseudomonassp.)一個(gè)月后的聚苯乙烯(polystyrene,PS)上可提取到對(duì)二甲苯等多種降解副產(chǎn)物[31];將PCL 和聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)薄膜接種在混合真菌懸液中28 d 后,薄膜出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失[32].本研究結(jié)果也證實(shí)了在加入相應(yīng)菌懸液后,膠帶成品的降解率有所提高.

本研究還發(fā)現(xiàn),膠帶成品在方法4 下的降解速率得到了較大的提升,這表明添加嗜熱菌對(duì)塑料降解具有促進(jìn)作用,且效果好于非嗜熱特性的菌株.溫度是影響塑料的生物降解過(guò)程的重要因素之一[33],但在這種特殊環(huán)境下,隨著降解時(shí)間的增加,方法3 所加入的芽孢桿菌的作用可能會(huì)受到高溫的限制.而嗜熱菌在需氧或兼性厭氧環(huán)境下均可生長(zhǎng),其芽孢極具耐熱性,較高的生長(zhǎng)溫度有利于嗜熱菌在該塑料降解實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮作用.曾有研究表明,嗜熱艾登短芽孢桿菌(Brevibacillus aydinogluensis)可使得聚乙烯 醇(polyvinyl alcohol,PVA)降解率達(dá)到90%[34];棲熱菌屬(Thermusspp.)和芽孢桿菌(Bacillusspp.)在高溫下可高效降解有機(jī)污染物PAHs[35];一種新型的嗜熱脂肪地芽孢桿菌菌株(strain A-2)可對(duì)原油重?zé)N進(jìn)行降解[36].還有研究指出,褐色喜熱裂孢菌(Thermobifida fusca)分泌的胞外聚酯水解酶在55℃下作用3 周,對(duì)低晶體聚對(duì)苯二甲酸乙二酯的降解率可達(dá)50%[34].此外,塑料的降解過(guò)程并不能只依賴單一菌株[37-38],混合不同的嗜熱菌用于生物降解實(shí)驗(yàn)也是可以選擇的.

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)設(shè)計(jì)不同的材料降解方法,以達(dá)到快速測(cè)定材料生物降解率的目的.結(jié)果表明,4 種方法中參比材料(纖維素)在60 d 的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)絕對(duì)分解率均超過(guò)70%,滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求.實(shí)驗(yàn)材料包括原紙和PLA 薄膜的降解率(除PLA 薄膜的相對(duì)降解率以外)在4 種處理方法下無(wú)顯著變化.測(cè)試膠帶成品時(shí),在方法1、方法2 下其降解率上升速率較低.而使用方法3(蛭石+芽孢桿菌)和方法4(蛭石+嗜熱菌)時(shí),膠帶成品在60 d 內(nèi)降解率顯著高于前兩種方法,且在方法4 下效果最佳.因此,優(yōu)化降解方法大幅縮短了材料分解到達(dá)穩(wěn)定期的時(shí)間,有利于加快材料降解率測(cè)定周期,可以一定程度上提高企業(yè)的研發(fā)效率.