生物降解分析

生物降解分析完全生物降解材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)摘要：完全生物降解材料能被微生物完全分解，對(duì)環(huán)境有積極的作用。本文介紹了完全生物降解材料的定義、分類、降解性能的評(píng)價(jià)及其發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：生物降解，測(cè)試，應(yīng)用人類在創(chuàng)造現(xiàn)代文明的同時(shí)，也帶來(lái)負(fù)面影響——白色污染。一次性餐具、一次性塑料制品以及農(nóng)用地膜等均難以再回收利用，其處理方法以焚燒和掩埋為主。焚燒會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，污染環(huán)境；掩埋則其中的聚合物短時(shí)間內(nèi)不能被微生物分解，也污染環(huán)境。殘棄的塑料膜存在于土壤中，阻礙農(nóng)作物根系的發(fā)育和對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收，使土壤透氣性降低，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)；食用殘棄的塑料膜后，會(huì)造成腸梗阻而死亡；流失到海洋中或廢棄在海洋中的合成纖維漁網(wǎng)和釣線已對(duì)海洋生物造成了相當(dāng)?shù)奈：?，因此提倡綠色消費(fèi)與加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)勢(shì)在必行。面對(duì)日益枯竭的石油資源，符合潮流的生物降解材料作為高科技產(chǎn)品和環(huán)保產(chǎn)品正成為一個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)。1.1、生物降解材料的分類生物降解材料按其生物降解過(guò)程大致可分為兩類。一類為完全生物降解材料，如天然高分子纖維素、人工合成的聚己內(nèi)酯等，其分解作用主要來(lái)自：①由于微生物的迅速增長(zhǎng)導(dǎo)致塑料結(jié)構(gòu)的物理性崩潰；②由于微生物的生化作用、酶催化或酸堿催化下的各種水解；③其他各種因素造成的自由基連鎖式降解。另一類為生物崩解性材料，如淀粉和聚乙烯的摻混物，其分解作用主要由于添加劑被破壞并削弱了聚合物鏈，使聚合物分子量降解到微生物能夠消化的程度，最后分解為二氧化碳（CO2）和水。生物崩解性材料大多采用添加淀粉和光敏劑的方法，與聚乙烯和聚苯乙烯共混生產(chǎn)。研究表明[2]，淀粉基生物降解塑料袋最終將進(jìn)入垃圾場(chǎng)，不接觸陽(yáng)光，即使其中有發(fā)生物雙降解作用，所發(fā)生的降解作用也主要以生物降解為主。一定時(shí)間的試驗(yàn)表明：垃圾袋無(wú)明顯的降解現(xiàn)象，垃圾袋沒(méi)有自然破損，甚至對(duì)袋里的垃圾起到一定的“保鮮”作用。對(duì)于解決環(huán)境污染，盡管含淀粉基的塑料比一次性塑料制品有效，但由于仍采用不能生物降解的聚乙烯或聚酯材料為原料，故除了添加的淀粉能夠降解外，剩余的大量聚乙烯或聚酯仍會(huì)殘存而不能完全生物降解，只是分解為碎片，無(wú)法回收，進(jìn)入土壤后情況更糟，對(duì)廢棄物的處理造成混亂，因而完全生物降解材料成為降解材料的研究重點(diǎn)。1.2、完全生物降解材料的品種和性能安全生物降解材料包括天然高分子纖維素、人工合成的聚己內(nèi)酯、聚乙烯醇等。自然界本身有分解吸收和代謝天然高分子纖維素的自凈化能力。該材料在用過(guò)廢棄后能被自然界微生物的酶降解，降解產(chǎn)物能被微生物作為碳源吸收代謝。聚己內(nèi)酯是目前價(jià)格較低的全微生物分解性合成高分子，所用的聚己內(nèi)酯是環(huán)狀單體——己內(nèi)酯，己內(nèi)酯是利用有機(jī)金屬化合物進(jìn)行開(kāi)環(huán)聚合而制得的脂肪族聚酯。主要性能有：熔點(diǎn)和玻璃化溫度較低，分別只有60℃-60℃，結(jié)晶溫度為22℃；其纖維強(qiáng)度和聚酰胺6纖維幾乎相當(dāng)，拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到70.56cN/tex以上，結(jié)節(jié)強(qiáng)度也在44.1cN/tex以上，而且在濕態(tài)情況下的強(qiáng)度損失很??；生物降解性和人造纖維相似，其產(chǎn)品大約在一周內(nèi)即降解成不可能測(cè)試的薄片。聚乙烯醇為可生物降解樹(shù)脂，故淀粉基聚乙烯醇塑料可完全生物降解。乙烯和變性淀粉基共聚的產(chǎn)品具有良好的成型加工性、二次加工性、力學(xué)性能和優(yōu)良的生物降解性能。日本合成化學(xué)工業(yè)公司開(kāi)發(fā)出具有熱塑性、水溶性、生物降解性的聚乙烯醇樹(shù)脂，可熔融成型，其熔點(diǎn)為199℃，可在214℃-230℃下采用擠塑、吹塑、注塑等工藝成型。產(chǎn)品的透明性、水溶性、耐藥品性均十分優(yōu)越，可用于涂布復(fù)合成型容器和包裝材料。聚乳酸最早由日本島津公司和鐘紡公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，以乳酸為主要原料聚合所得到的高分子聚合物，而乳酸是一種在動(dòng)植物和微生物體內(nèi)常見(jiàn)的天然化合物，極易自然分解，其纖維具有優(yōu)良的性能，介于合成纖維和天然纖維之間。親水性優(yōu)于聚酯纖維，比重低于聚酯纖維，有極好的手感、懸垂性和外觀，好的回彈性，優(yōu)良的卷曲和卷曲保持性，有可控的收縮性，強(qiáng)度達(dá)62cN/tex，不受紫外光影響，可用多種染料染色，杰出的可加工性，熱粘合溫度可控制，晶體熔融溫度高達(dá)120℃-230℃，低可燃性。乳酸單體的主要特征是其以兩種旋光性形式存在，聚乳酸技術(shù)利用該獨(dú)特的聚合物性能，通過(guò)控制D和L異構(gòu)體在聚合物鏈上的比例及其分布來(lái)控制產(chǎn)品的結(jié)晶熔點(diǎn)。聚L-乳酸（PLLC）是以淀粉、糖蜜等生物資源為原料發(fā)酵制得L-乳酸，再用化學(xué)方法合成的高分子材料。PLLC是熱塑性材料，其可塑性與聚苯乙烯和聚酯相似，其結(jié)晶性和剛性都比較高，抗張強(qiáng)度優(yōu)良。生物降解材料的降解性能及其評(píng)價(jià)對(duì)生物降解材料的降解性能的測(cè)試目前還沒(méi)有制訂統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可采用包括被美國(guó)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）采納或準(zhǔn)備采納的方法作為標(biāo)準(zhǔn)的方法，通過(guò)生物化學(xué)和微生物的實(shí)驗(yàn)手段來(lái)評(píng)價(jià)的主要方法有下列幾種。2.1、土埋法土埋法有室外土埋法和室內(nèi)土埋法兩種，其微生物源主要是土壤中的微生物群，經(jīng)一定時(shí)間后，取出試樣測(cè)定其失重、機(jī)械性能變化，或用電子顯微鏡確定其被土壤中微生物侵襲的狀況。優(yōu)點(diǎn)是能反映出自然環(huán)境條件下的生物分解性能；缺點(diǎn)是試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)結(jié)果因土質(zhì)不同而不同，重復(fù)性差。2.2、陪替氏培養(yǎng)器定量法在容器中加入試驗(yàn)樣品和營(yíng)養(yǎng)瓊脂，接種微生物進(jìn)行培養(yǎng)，經(jīng)一定時(shí)間后，分析試樣的失重情況以及某些物理變化或化學(xué)變化。優(yōu)點(diǎn)是可快速降解，在短時(shí)間內(nèi)獲得試驗(yàn)結(jié)果，重復(fù)性好，定量性好；缺點(diǎn)是不能反映自然界中的實(shí)際情況。2.3、酶分析法在容器中加入緩沖液和試驗(yàn)樣品，讓酶作用一定的時(shí)間后，分析試樣的失重情況，目測(cè)霉菌的生長(zhǎng)情況，顯微鏡分析試樣物理性能或化學(xué)性能的變化。優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)周期短，重復(fù)性好，定量性好；缺點(diǎn)是不能反映自然界中的實(shí)際情況。2.4、放射性C14示蹤法用C14標(biāo)記聚合物產(chǎn)