准确追踪塑料的生物降解过程

苏黎世理工学院的研究人员开发了一种方法，可以准确记录和全面跟踪塑料在土壤中的生物降解。

　　

   

   

图片:PBS薄膜在土壤中孵育六周后表面的电子显微镜图像:PBS表面显示出因真菌菌丝和细菌定植而降解的明显迹象。    

图片来源:苏黎世联邦理工学院/ Michael Zumstein

现代农业使用大量塑料，特别是农民用来覆盖农田土壤的地膜。这为作物保持土壤湿润，抑制杂草，促进作物生长。然而，对农民来说，在使用后收集和处理传统聚乙烯薄膜通常是非常耗时和昂贵的。此外，不可能重新收集所有的薄PE薄膜，因为它们很容易撕裂。这意味着PE碎片会留在土壤中，并在那里积累，因为PE不会降解。

生物可降解地膜是一种很有前途的替代品，因为与PE膜相比，它在理想情况下不会在土壤环境中留下任何聚合物成分。它所含的可生物降解聚合物是经过精心设计的，这样微生物就可以利用它们来产生能量并建立细胞生物量。生物可降解聚合物在其主干结构中有预定的化学“断点”。自然存在的微生物，如土壤中的微生物，可以向环境中释放酶，攻击聚合物中的这些点并将其分解。释放出的小降解产物被微生物吸收，最终通过呼吸形成最终产品CO₂．

这就是为什么证明CO₂聚合物碳的形成对生物降解至关重要。也因为除了真正可生物降解的塑料之外，还有含有特定添加剂的PE虚假标签塑料。这些薄膜只分解成肉眼看不见的非常小的微塑料。因为它们没有被微生物降解，所以会在环境中积累。

新方法抓住了生物降解的所有方面

直到现在，基于现有的方法，还不可能跟踪聚合物生物降解的整个过程。但在过去的几年里，苏黎世联邦理工学院的环境化学小组开发了一种新的方法来跟踪和测量聚合物是否在土壤中生物降解以及降解到什么程度。他们的研究结果刚刚发表在自然 通信．

这些结果可能会改变未来聚合物生物降解的研究方法。该项目还包括来自ETH地球科学系和Eawag的研究人员，以及来自化学公司巴斯夫的员工。

这种新方法是基于使用带有稳定碳同位素标记的聚合物(¹³C).这种标记允许研究人员有选择地跟踪聚合物的性质¹³C在土壤中的生物降解过程中，所以他们可以明确地证明生物降解确实在发生。到目前为止，塑料的生物降解性仅用非同位素标记聚合物进行了测试。聚合物(或由一种或多种聚合物组成的塑料材料)如果所添加的聚合物碳的部分转化为CO，则被认证为可生物降解的₂在特定潜伏期超过预定义水平。例如，生物可降解地膜的标准要求两年的土壤培养，其中至少90%的地膜碳被“矿化”为CO₂．

PBS薄膜在土壤中孵育六周后表面的电子显微镜图像:PBS表面显示出由真菌菌丝和细菌定植而降解的明显迹象。(图片:迈克尔Zumstein)

这些测试方法作为检测聚合物矿化的一种合适手段已经得到了很好的证实。然而，它们并没有捕捉到生物降解的全部程度，因为它们只测量CO₂形成。因此，研究人员使用今天的标准方法无法检测出在孵化期结束时土壤中残留的聚合物碳的数量。此外，尚不清楚这些剩余的碳是否仍然以添加的聚合物的形式存在，或者微生物是否已经将其吸收到它们的生物量中。

封闭碳质量平衡

ETH研究人员及其同事开发的方法消除了这些歧义。在他们的测试中，他们使用¹³c标记的聚丁二酸琥珀酸酯，或PBS，是一种重要的商业生物降解聚酯，也用于地膜。

研究人员现在能够选择性地追踪¹³生物降解过程中PBS中的C:除了确定矿化到¹³有限公司₂，通过量化PBS衍生的残留量，作者证明了PBS碳的完全质量平衡¹³C在培养后留在土壤中。

“我们很高兴看到在425天的土壤培养过程中碳质量保持平衡。这表明我们可以准确地确定聚合物碳的最终位置——大约三分之二在CO中₂三分之一在土壤中——在这些非常长的潜伏期中，”该研究的主要作者泰勒·纳尔逊解释说，他在环境化学小组获得了博士学位。

研究人员还想知道作为PBS添加的碳以何种形式留在土壤中。有多少被吸收到微生物生物量中，有多少仍然作为剩余的PBS存在?

为了回答这个问题，作者在培养结束时从土壤中提取并量化了残留的PBS。他们能够表明，虽然大多数碳仍然以PBS的形式存在，但有相当一部分(7%)添加的PBS碳已经融入到微生物生物量中。

准确确定有多少聚合物仍然存在，以及有多少聚合物碳被纳入到生物质中，这对于未来的研究和开发新的可生物降解聚合物至关重要。“我们现在可以系统地测试土壤条件和聚合物性质，允许聚合物完全生物降解为CO₂以及微生物生物量——我们可以评估可能随着时间推移减缓聚合物生物降解的因素，”ETH环境化学组教授迈克尔·桑德解释道。

这项工作已经在进行中:使用新的方法，该小组目前正在研究进一步的聚合物在各种农业土壤中的生物降解，包括在田间。“通过这种方式，我们希望确保生物可降解聚合物名符其实，不会留在环境中，”苏黎世联邦理工学院环境化学教授、同名研究小组负责人克里斯托弗·麦克尼尔(Kristopher McNeill)说。

桑德指出:“用可生物降解的聚合物取代传统聚合物有助于减少塑料污染，特别是在聚合物直接用于环境的应用中，这种聚合物在使用后很有可能仍然存在。”

文章标题

Biodegradation of poly(butylene succinate) in soil laboratory incubations assessed by stable carbon isotope labelling