塑料由于較低的成本以及理想的化學(xué)、力學(xué)、熱和電等性能，被廣泛用于包裝、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、電器、汽車(chē)以及加工行業(yè)。然而，塑料也是一個(gè)大污染源，常在經(jīng)過(guò)短期使用之后便被扔進(jìn)垃圾堆場(chǎng)，全世界的塑料垃圾以每年6000萬(wàn)t的速度在產(chǎn)生?；诃h(huán)境保護(hù)的出發(fā)點(diǎn)，處置塑料的各種措施和方法相繼出現(xiàn)，生物降解路徑便是其中之一。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）早先針對(duì)化學(xué)品提出“快速生物降解性”的概念，要求在28 d的測(cè)試期限內(nèi)的10 d窗口期應(yīng)達(dá)到60%生物降解，規(guī)定將10%的生物降解程度定為該窗口期的起點(diǎn)。文獻(xiàn)中已出現(xiàn)幾種具有可比性生物降解的塑料品鐘，如聚己酸內(nèi)酯、己二酸琥珀酸共聚丁二醇酯、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯等。

生物可降解塑料是微生物的一種碳來(lái)源和能源，在有氧條件下的生物降解反應(yīng)可以用方程式（1）來(lái)表示：

聚合物的碳（C聚合物）被微生物吸收（轉(zhuǎn)為C生物質(zhì)），而后礦化成CO2和H2O或用于生長(zhǎng)和再生產(chǎn)（更多C生物質(zhì)）。C生物質(zhì)經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間礦化，在土壤微生物種群或儲(chǔ)藏的聚合物的作用下產(chǎn)生CO2。其結(jié)果是CO2的快速生成后，接著是較慢第二階段的CO2逸出，這兩種模式屬可被認(rèn)知的有機(jī)物質(zhì)礦化方式。方程式（2）是更準(zhǔn)確的生物降解表達(dá)。

C聚合物轉(zhuǎn)化為C生物質(zhì)，然后C生物質(zhì)再以不同的動(dòng)力學(xué)（b）轉(zhuǎn)化為CO2。嚴(yán)格地說(shuō)，反應(yīng)（a）是生物降解，而反應(yīng)（b）是礦化。與化學(xué)反應(yīng)類(lèi)似，可通過(guò)跟蹤反應(yīng)物的消耗或產(chǎn)物的出現(xiàn)來(lái)監(jiān)控生物降解過(guò)程。從技術(shù)角度來(lái)定量化監(jiān)控生物降解的最好方式是計(jì)量反應(yīng)物或是能量新陳代謝的終產(chǎn)物。

生物降解的百分?jǐn)?shù)是放出的CO2與理論量CO2的比值。理論量CO2為投入反應(yīng)器塑料樣品中的元素碳全部氧化所應(yīng)生成的CO2量。

這一呼吸測(cè)量方法是借鑒經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織在20世紀(jì)80年代發(fā)布的關(guān)于化學(xué)品測(cè)試的指導(dǎo)書(shū)的內(nèi)容建立的。

1 材料和方法

1.1 材料

所用材料為聚葵二酸丁二醇酯（PBSe）——一種生物可降解性脂肪族聚酯。經(jīng)元素分析，其m（C）=65.43%，密度為1.12 g/cm3。以原有形態(tài)（小球）或經(jīng)液氮冷凍研磨和篩分后做土壤生物降解的試驗(yàn)。得到的三部分顆粒尺寸范圍為：500～700 μm，200～355 μm，50～75 μm。

將微晶纖維素 ［m（C）=44.44%］粉末作參比物。

1.2 比表面測(cè)定

每一級(jí)粉末依顆粒測(cè)定比表面積（cm2/g），視顆粒為不等邊橢圓體，取20個(gè)顆粒以量規(guī)測(cè)定3個(gè)坐標(biāo)軸的長(zhǎng)短徑，用下式計(jì)算表面積：

式中 a，b和 c為半坐標(biāo)軸，p為1.607 5（克努茲-湯姆森校正系數(shù)）。再由表面面積和20個(gè)顆粒的平均質(zhì)量計(jì)算比表面積（cm2/g）。

粉末的比表面積經(jīng)三種方法得出：（1） 理論方法計(jì)算；（2） 掃描電鏡圖像處理；（3）BET測(cè)定方法。

1.3 生物降解

生物降解依照 ASTM D5988—12標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定，結(jié)果是基于所產(chǎn)生的CO2量。

聚葵二酸丁二醇酯的不同篩分是以微晶纖維素作參比物一起進(jìn)行土壤降解。試驗(yàn)數(shù)量為每個(gè)反應(yīng)器投1 g，也有一些篩分試驗(yàn)量加倍（每個(gè)反應(yīng)器投2 g）。材料試驗(yàn)中產(chǎn)生的CO2凈量，可通過(guò)從投入有聚合物的反應(yīng)器中產(chǎn)生的CO2量扣掉投入空白土壤的反應(yīng)器所產(chǎn)生CO2的平均量計(jì)算而得。生物降解的百分?jǐn)?shù)，為試驗(yàn)產(chǎn)生的CO2凈量與基于聚合物碳的CO2理論生成量之間的比值。

2 結(jié)果討論

2.1 粒子尺寸確定

將20個(gè)顆粒計(jì)量其尺寸和質(zhì)量，再由此來(lái)測(cè)定其平均比表面（cm2/g）。以理論方法估計(jì)不同篩分部分的表面積，將每一部分的粒子視為直徑等于每一級(jí)范圍極限中值的球體。見(jiàn)表1。

為了核實(shí)這一假設(shè)，曾進(jìn)行圖像分析比照（結(jié)果差異均在觀測(cè)誤差范圍之內(nèi)）。另外，還進(jìn)行BET分析，所測(cè)得結(jié)果比其他方法高3～5倍。

表1 由理論方法確定的比表面積

2.2 生物降解

各反應(yīng)器累計(jì)生成的CO2如圖1所示，對(duì)比試驗(yàn)顯示的進(jìn)程多數(shù)可重疊（相同征象，即圖中實(shí)線和虛線所示），只是總表面積分別是1 651 cm2和1 649 cm2的R11和R12在20～60 d之間出現(xiàn)分叉。圖1中各反應(yīng)器R1-R16的內(nèi)容物見(jiàn)表2。

圖1 不同反應(yīng)器R1-R16放出CO2的進(jìn)程圖

圖2 展示了PBSe生物降解平均曲線，原有形態(tài)PBSe（表面積=33cm2的小球）的試驗(yàn)結(jié)果是最慢的。當(dāng)在138 d之后，所有曲線在80%高臺(tái)區(qū)均位于80%和90%范圍間，唯有33cm2小球例外地仍處在連續(xù)的生物降解中。

有關(guān)將生物降解視為塑料表面發(fā)生多相反應(yīng)的見(jiàn)解，為生物降解塑料領(lǐng)域工作的科學(xué)群體所創(chuàng)立。然而，閱讀已有文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)少有文章系統(tǒng)化地論述表面對(duì)生物降解的影響，亦是以相同條件測(cè)試具有不同有效表面積的相同樣品。

將不同顆粒尺寸的可生物降解聚合物置于土壤中進(jìn)行生物降解試驗(yàn)，其不同尺寸的分級(jí)經(jīng)由研磨并篩分塑料顆粒而得，表面積的測(cè)定基于一種經(jīng)過(guò)顯微圖像分析驗(yàn)證的理論方法。由另一實(shí)驗(yàn)室做BET測(cè)定，該方法測(cè)得的表面積值比理論測(cè)定和圖像分析法要高3～5倍，因?yàn)锽ET是可以測(cè)定納米層級(jí)的多孔性。具有不同粒徑樣品的生物降解進(jìn)程有時(shí)會(huì)有顯著差異。聚焦在生物降解的起始部分進(jìn)行分析，當(dāng)預(yù)料生物降解的速率是直接受聚合物礦化作用的影響，而不是受生成的生物質(zhì)的礦化影響，這個(gè)假設(shè)意指塑料粒子被一層會(huì)侵襲塑料的生物膜所包覆，通?？捎^察到漸進(jìn)式的塑料件腐蝕與在樣品表面菌絲體的密集生長(zhǎng)有關(guān)。反應(yīng)起始部分的生物降解曲線以線性回歸很好地進(jìn)行表達(dá)。這意味著反應(yīng)速率遵循準(zhǔn)零級(jí)動(dòng)力學(xué)，即反應(yīng)速率為常數(shù)，不受物質(zhì)（聚合物）量所影響。很顯然，幾個(gè)月時(shí)間里反應(yīng)速率不變，也不受有效聚合物影響。為解釋這一恒定的速率，可認(rèn)為生物降解速率受表面有效聚合物量的影響，而不受聚合物總量的影響。由恒定腐蝕所引起的表面變化與降解的起始階段不相關(guān)。

2.3 確定生物降解速率

每個(gè)篩分的剩余量C聚合物，通過(guò)在時(shí)間起點(diǎn)的C聚合物量減去放出的凈CO2的C量來(lái)確定。為了確定起始礦化速率k，從每一個(gè)樣品的第一生物降解階段C聚合物數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析（見(jiàn)圖3）。線性回歸分析的結(jié)果列于表3中，其斜率常數(shù)k即為礦化反應(yīng)速率（mg C聚合物/d），b 為截距常數(shù)，r2為試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)。

礦化速率與表面積的關(guān)系采用回歸分析（簡(jiǎn)單回歸）獲取，結(jié)果表明雙倒數(shù)模型最為適合（r2為98.7%）。雙倒數(shù)模型又稱為萊恩威弗伯克作圖法，用于米氏方程表達(dá)酶動(dòng)力學(xué)。在圖4中，將聚合物起始總表面積的倒數(shù)（cm-2）與反應(yīng)速率的倒數(shù)（k-1）拿來(lái)做線性回歸，得到雙倒數(shù)作圖法的線性回歸方程如下式（其相關(guān)系數(shù)r2=0.987）。

y=11.557x+0.0103

y軸的截距為最大反應(yīng)速率的倒數(shù)(1/k最大)，如此則最大反應(yīng)速率為1/0.0103=97 mg/d。換句話說(shuō)，在最佳條件下，反應(yīng)速率隨著有效面積的增加而上升直至到達(dá)最大值。

x軸的截距（即當(dāng)y=0）為x=-0.0103/11.557=-0.0008912，其倒數(shù)值為1122 cm2。在酶動(dòng)力學(xué)中，這就是米氏常數(shù)（Km），亦即反應(yīng)速率處在最大值一半時(shí)的物質(zhì)濃度。在此，Km代表反應(yīng)速率為最大值的一半時(shí)的表面積。如此，則表面積在1122 cm2時(shí)反應(yīng)速率是最大值的一半。

表2 生物降解試驗(yàn)的內(nèi)容物

圖2 不同起始表面積PBSe的生物降解曲線

表3 線性回歸分析結(jié)果

圖3 生物降前期C聚合物隨時(shí)間減少及回歸線

圖4 反應(yīng)速率k與聚合物起始總表面積（cm2）雙倒數(shù)作圖

當(dāng)不同樣品的起始降解速率分別與起始有效表面相關(guān)聯(lián)，雙倒數(shù)作圖法(即萊恩威弗伯克法)能很好地適應(yīng)數(shù)據(jù)。用雙倒數(shù)作圖法估量的最大速率為 97 mgC聚合物/d，這可認(rèn)為是分子水平的降解速率，亦即該階段有效表面不限制降解（無(wú)限量的表面）。打個(gè)比方，如果1 g聚葵二酸丁二醇酯轉(zhuǎn)換為納米聚合物粒子，采取1 μm直徑球體的形式，則總表面積約為53 500 cm2，表面可容許 95 mgC聚合物/d的起始速率，假如整個(gè)生物降解過(guò)程保持恒定，這個(gè)速率容許在7 d內(nèi)達(dá)到90%生物降解門(mén)檻。顯然分子水平的生物降解速率是非常快的，聚葵二酸丁二醇酯納米聚合物亦可能滿足經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織所提出的“容易生物降解”條件。

以通常實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法測(cè)試得出的塑料生物降解速率拿來(lái)判別生物的降解性是為“表觀”速率。測(cè)試中發(fā)生在塑料表面的生物降解是很快的但是總的CO2逸出受到有效表面積限制，然而生物降解以逸出CO2與總碳（即Th CO2）的比值來(lái)計(jì)算，雖然多數(shù)碳不是“有效的”而是在塑料粒子的核心中包裹著，這樣CO2/Th CO2比值未能準(zhǔn)確表達(dá)現(xiàn)實(shí)中發(fā)生的生物降解過(guò)程。塑料粒子顯現(xiàn)了很慢的生物降解結(jié)果，但是如果基于這個(gè)結(jié)果斷定聚葵二酸丁二醇酯的生物降解是慢的，則也不是準(zhǔn)確表達(dá)出全速新陳代謝在分子層面所發(fā)生的境況。

從數(shù)據(jù)得出在未限定表面積的情況下，在設(shè)定條件下聚葵二酸丁二醇酯最大的生物降解速率為97 mg·C聚合物/d，（1 d 時(shí)間，97 mg聚合物碳礦化為CO2）。斷定特定的最大速率業(yè)已確定從而也意味著存在限制因素。我們相信限制因素是土壤中存在的活性微生物細(xì)胞的數(shù)量，而傾向于排除營(yíng)養(yǎng)物缺乏這一因素，因?yàn)樯锝到鉁y(cè)試中所用的土壤添加了鹽，尤其是氮，磷和鉀。在酶的反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似條件，在無(wú)限定物質(zhì)可用性情況下酶濃度作為反應(yīng)的限制因素。酶不像微生物會(huì)自身復(fù)制，因此微生物要應(yīng)對(duì)增加的有效面積，可我們關(guān)注的是起始部分的反應(yīng)，故對(duì)其生長(zhǎng)的作用并不完全明了。我們期望同樣土壤（以及同樣環(huán)境條件）但不同的微生物量將顯示不同的最大生物降解速率，需要做進(jìn)一步試驗(yàn)來(lái)加以闡明。

意欲確證有效表面積對(duì)可生物降解聚合物的礦化速率的影響，以便從集中的CO2逸出速率判斷分子水平的礦化動(dòng)力學(xué)。研究表明塑料生物降解速率的確定受技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)的顆粒大小的影響。這樣判斷生物降解速率應(yīng)考慮計(jì)量CO2逸出速率受顆粒尺寸的影響，而未必說(shuō)明這是一個(gè)快還是慢的反應(yīng)的證據(jù)。固有生物可降解性的測(cè)定應(yīng)基于一種方法對(duì)策，目的在于確定化學(xué)結(jié)構(gòu)是否對(duì)酶的攻擊敏感并最終轉(zhuǎn)化為礦物質(zhì)，盡可能減少偶然約束（如厚度、溫度、水活性等），為危險(xiǎn)性評(píng)估的另一方面。

一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)室條件下給定最長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，一種塑料如能達(dá)到以礦化形式體現(xiàn)的最小的生物降解程度，便是生物可降解性合格的。這樣關(guān)于生物可降解塑料的標(biāo)準(zhǔn)描述為計(jì)量生物降解速率即定義了試驗(yàn)方法并設(shè)置最小生物降解速率的要求。生物降解水平設(shè)為90%，涉及土壤的時(shí)間期限為幾個(gè)月甚至是幾年。如此，關(guān)于生物可降解性塑料的要求不同于經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織規(guī)定的必須在最長(zhǎng)28 d內(nèi)證明生物降解的要求。似乎塑料的生物降解很緩慢，然而，此項(xiàng)工作表明在土壤中發(fā)生在分子水平的生物降解是很快的。

為了清楚起見(jiàn)，必須說(shuō)明此項(xiàng)研究?jī)H是聚焦在典型聚合物固有生物可降解性以及最大理論生物降解速率的評(píng)估上，所用的測(cè)試方法表明聚葵二酸丁二醇酯的最大生物降解速度很快，證明這種聚合物在化學(xué)上適合于生物降解。然而，以這種聚合物所做任何產(chǎn)品的物理性能將受厚度（亦即有效的表面積）以及環(huán)境條件（溫度、水活性、營(yíng)養(yǎng)物可用性、微生物種群等）的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

聚葵二酸丁二醇酯在土壤中的生物降解速率與有效的表面積相關(guān)聯(lián)，其功能運(yùn)用雙倒數(shù)回歸模型進(jìn)行表達(dá)，也就是通常應(yīng)用在酶動(dòng)力學(xué)中測(cè)定米氏方程動(dòng)力學(xué)參數(shù)的所謂萊恩威弗伯克作圖法。這就使得在非限定表面積的情況下，估計(jì)可達(dá)到的聚合物最大生物降解速率成為可能。據(jù)我們所知，這是首次對(duì)固體聚合物的最大生物降解速率的評(píng)估。

如果聚合物能以納米聚合物的方式測(cè)試，則很可能滿足經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織有關(guān)化學(xué)品“快速生物降解性”的標(biāo)準(zhǔn)。貼切地說(shuō)，根據(jù)歐洲的“REACH”（化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、許可和限制）規(guī)則，一旦物質(zhì)滿足“快速生物降解性”試驗(yàn)要求，可假定其在生物活性環(huán)境中經(jīng)歷了快速而終極的降解。可見(jiàn)，在分子水平上的生物降解評(píng)估，將可導(dǎo)致生物可降解塑料對(duì)環(huán)境作用較好的理解。

當(dāng)所有可用的微生物以及酶器材全部參與到生物降解中，沒(méi)有更多物質(zhì)（指更多針對(duì)微生物的有效表面積）可被降解時(shí)，就達(dá)到最大生物降解速率。這一假設(shè)意味著通過(guò)改變開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)存在的微生物數(shù)量，就可獲得不同的最大反應(yīng)速率的結(jié)果。需要進(jìn)一步研究來(lái)支撐這一假設(shè)以及得出結(jié)論。