淺談海水/海洋環(huán)境生物降解評估方法

時間：2023-02-22

當前，**標準化組織（ISO）、美國材料測試協(xié)會（ASTM）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）等組織均發(fā)布了對人造材料、塑料和合成材料以及/或生物降解的塑料分析方法。

NOAA制定了針對微塑料（0.3~5 mm）的分析方法。該方法要求采用Fe（II）催化劑進行過氧化以消化**物。該方法常用于PS、PVC、PP、PE等塑料的鑒定。這種方法不適用于已在海洋環(huán)境中發(fā)現的許多其他類型的塑料和人造纖維。

ASTM制定了D6691-17《用規(guī)定的微生物菌群或**海水培養(yǎng)液測定海洋環(huán)境下塑料有氧生物降解性的試驗方法》用于測試人造材料、塑料和合成材料。該方法采用均勻的接種物或添加了無機營養(yǎng)素的**海水樣品，用于評估在30±2 ℃條件下的生物降解性。較小海水溶液（Minimum Marine Solution）中的氨濃度較低約為635 mg/L，硝酸鹽濃度較低約為307 mg/L。海洋中溶解的無機氮約為5.8 μmol/L或相當于0.1 mg/銨。較小海水溶液中氨的濃度大約是海洋中的6000倍。在ASTM法中，較小海水溶液中的硝酸鹽的濃度大約是在海洋中發(fā)現的含量的110倍。印度洋表面附近的硝酸鹽水平幾乎為零。

ASTM的測試是基于海洋中的有氧條件。一般塑料材料停留在海洋表面的時間是有限的。由PE或PP制成的塑料繩索和漁網可能會留在海洋表面附近。其他漂浮的塑料會由于生物膜生長而下沉。

ISO制定了14851：2019，塑料材料在水介質中的較終好氧生物降解性的測定，使用密閉式呼吸計測量生物降解所需的氧氣量。但是，該方法不包括海洋條件，因為其所使用的接種物活性污泥是用于淡水環(huán)境的。

ISO方法較傾向于采用粉末形式的測試材料，但也可采用薄膜、碎片、碎片或有形狀的制品。粉末的大表面積可以讓更多的微生物降解材料，所以如果測試所用的樣品不是塑料制品在環(huán)境中的本來形態(tài)，則生物降解率結果就會被高估。該標準還建議，應使用不含添加劑，如增塑劑的塑料。另外，與排放到河流、湖泊和溪流中的物質相比，粉末狀樣品也會導致生物降解率結果被高估。在接種物中所使用的活性污泥上清液并不存在于自然環(huán)境中，這會導致降解時間的偏差。在標準測試介質中的磷濃度為113 mg/L。這比實際在淡水中發(fā)現的數量級要高。為了將研究結果擴展到自然環(huán)境中的生物降解，磷的濃度需要維持在自然環(huán)境中的濃度。較低的溫度可以顯著延長生物降解的時間，并造成在自然環(huán)境的淡水中可生物降解的錯誤印象。淡水中有限的營養(yǎng)物質是磷，而海洋環(huán)境中有限的營養(yǎng)物質是氮。

ASTM和ISO標準中的呼吸計法被用于測量海洋環(huán)境中的生物降解，但可能會受塑料和用于塑料中的其他化學物質的生物膜呼吸作用影響。在有氧條件下，塑料樣品生物降解為二氧化碳的較低轉化率要求為60-70%，而降解周期，則ASTM D6691-17要求較長3個月，ASTM D7473-12要求較長6個月，ISO 18830、ISO 19679、ASTM D7991-15 要求較長為24個月。

塑料的吸收能力會導致材料所釋放的二氧化碳被樣品吸附。生物降解的確認可以通過以下方法來完成：

考慮外觀、重量、力學性能的改變導致的差異。

考慮聚合物分子結構的綜合變化，如用分光光度計對表面水解的測量。

考慮使用光學、原子力和掃描電子顯微鏡對生物膜的形成和/或微生物的影響進行研究。

氮含量限制了海洋中**物質的生物降解，并不會達到在已發(fā)表的方法中所報告的生物降解水平。由于微生物所需的氮含量有限，使用ASTM方法估計的生物降解率可能比海洋中可能發(fā)生降解情況高出6000倍。由試驗測得的生物降解周期也可能導致我們高估了材料的實際生物降解周期。因此，物質在海洋環(huán)境中的生物降解率可能被高估。

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參考文獻：Marine biodegradability review of plastics. Water Cycle 2 (2021) 38–43.

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