 注：本文主要參考《Plastics of the Future? The Impact of Biodegradable Polymers on the Environment and on Society》，作者：Tobias Haider, Carolin V?lker, Johanna Kramm, Katharina Landfester, Frederik Roman Wurm 。 通過介紹三種生物降解試驗各自的優缺點，強調生物降解性總是與周圍環境密切相關，并關注降解過程的環境影響，旨在為生物可降解塑料的標準化工作提出見解與建議。 引言 全國兩會期間，華東理工大學的藍閩波委員在《禁塑令后可生物降解塑料及制品管理》的提案中建議：完善生物可降解塑料的評價機制及產品標準。 伴隨一系列支持政策的陸續出臺落地，生物可降解塑料產業蓬勃發展，已有逐步取代傳統（不可降解）塑料之勢。何以時至今日，為生物可降解塑料的降解性能和環境影響建立統一的評價機制和產品標準，仍是科學家們需要去突破的緊急問題？ 要評價一個塑料產品的生物降解性能，究竟難在哪里？  2019年全球生物塑料的生產能力（框內為生物可降解塑料部分） 圖｜European Bioplastics 一、降解試驗：必須結合 多種試驗評價材料的生物降解性 材料發生生物降解必須具備的條件是存在大量的微生物。根據微生物源的不同，生物降解試驗可分為三種，分別是特定微生物試驗、環境微生物試驗和自然環境試驗。 特定微生物試驗 特定微生物試驗將單獨分離的微生物接種于試樣上培養。這種方法可重復性較好，適于探索降解機理、確定降解產物，其是否有助于評估生物可降解塑料在自然環境條件下的降解能力，首先要看試驗中所使用的微生物，是否存在于塑料廢物最終可能進入的真實環境當中。[1] 例如在生物可降解塑料的需氧生物降解能力標準化試驗 ASTM D5247-92（已被撤回） 中，培養基①使用的是兩種土壤微生物，西唐氏鏈霉菌 ATCC39115 和綠孢鏈霉菌 ATCC39115。 【注】 ①培養基：人工配制的用來培養微生物的營養物質。 問題在于，在特定微生物試驗中，被測的生物可降解塑料是微生物的唯一碳源（carbon source）②，而在自然環境中，在存在其他營養物的情況下，生物可降解塑料可能不是微生物優先選擇的反應物。[2] 【注】 ②碳源：一切能滿足微生物生長繁殖所需碳元素來源的營養物。  實驗室的人工環境與自然條件有較大差異 圖｜Pexels 另一方面，試驗中的微生物若處在自然環境下復雜的生物群③組合里，并不一定具有生存優勢，因此它們在特定環境中競爭、生存和繁殖的能力至關重要。[1] 【注】 ③生物群：生活在一定區域內的所有生物。 有鑒于此，美國材料與試驗協會（ASTM）和經濟合作與發展組織（OECD）制定的的生物降解能力標準化試驗，通常規定在模擬環境④中進行，以作出更可靠的評估。[3] 【注】 ④模擬環境：在實驗室中，利用各種設備產生模擬真實環境的條件。 環境微生物試驗 環境微生物試驗（環境模擬試驗）將試樣放入容器中，然后接種來自土壤、污泥或河水中的微生物群，在實驗室進行培養研究。這種方法仍具有較好的可重復性，又能在一定程度上反映試樣在自然條件下的生物降解性。  模擬環境與真實自然環境較為接近 圖｜Luis Garcia 例如 OECD 化學品測試規范第 306 項，“在海水中的生物降解能力”，就使用海水作為試驗介質，規定海水樣本應在 15-20℃下儲存，并于收集后一兩天內使用，且必須描述水樣的污染和營養狀況。[4] 但是，由于海水中（土壤和堆肥同理）微生物含量不均勻，通常很難采集代表性樣本。[2]樣本也可能在裝瓶過程中受到污染，一些適應能力較強的微生物得到富集⑤，導致樣本失去代表性。[1] 【注】 ⑤富集：在特定的環境條件下，部分微生物旺盛生長繁殖，同時其他微生物的生長受到抑制。 自然環境試驗 基于上述種種困難，自然環境試驗（現場試驗）的重要性不言自明。只有將試樣直接埋在土壤、污泥、堆肥中，或浸入河流、海洋中，方能真實反映塑料廢物在自然界真實環境下的降解情況。[1]  自然環境試驗能夠反映真實環境下的降解情況，但環境條件難以控制 圖｜Pixnio 然而，現場試驗明顯受到環境條件（如溫度、濕度、酸堿度）的制約，這些條件難以得到控制。[5]試驗結束后，很難對殘留在環境中的試驗材料進行量化，也難以測定材料降解釋放到環境中的小分子；環境中其他生物體的新陳代謝同樣可能影響分析，這些都給監測生物可降解材料是否完全降解帶來了難度。 【注】 ⑥完全降解：根據標準 CEN/TR 15351:2006，生物可降解材料需要在生物降解過程中礦化為二氧化碳、水和生物質。 總的來說，用于塑料生物降解性評價的測試方法各有優缺點，因而應根據試樣的特點選擇合適的測試標準，必要時還應將各種方法測得的多個指標結合，以此最大限度地完善對試樣材料生物降解性的評估。  不同類型生物降解實驗的比較 圖 | Müller 二、降解環境：必須評估 材料在不同環境中的生物降解性 生物可降解材料的生物降解速率，同時取決于酶、微生物、溫度、濕度、酸堿度、氧氣和光等等因素。所有這些因素在不同的生態系統（地域）中各不相同。[6] 以微生物濃度為例，每克堆肥材料中有 10^7–10^8 個集落形成單位①（colony-forming unit），而在土壤中只有 10^6 個。[2]對海水而言，一項基于直接計數法②的估計為 10^6 個細胞每毫升。[7] 【注】 ①集落形成單位：可以長成一個菌落的活細胞。 ②直接計數法：又稱顯微鏡計數法，用計數板在光學顯微鏡下直接觀察細胞并進行計數。 所以對于生物可降解材料，必須評估其在不同生態系統中的生物降解速率，方能保證材料在使用后能夠實現預期的降解。 一項在 25℃的淡水（湖泊和河流）和海水（海灣和海洋）中，對五氯苯酚（PCL）進行生物降解的試驗表明，由于不同環境中微生物數量不同，五氯苯酚的降解速率也相應受到影響。降解速率從高到低依次為：海水（海灣） >淡水（河流） >淡水（湖泊） >海水（海洋）。[8]  現行的“海洋可生物降解”認證被指責為時過早 圖｜TüV AUSTRIA 再以聚乳酸（PLA）為例。作為一種半結晶聚合物，聚乳酸的玻璃化轉變溫度（glass transition temperature）約為 60℃。[9]當環境溫度高于其玻璃化轉變溫度③時，聚乳酸非晶區的分子鏈柔性變大，降解過程隨之加快。 【注】 ③玻璃化轉變溫度：非晶態聚合物或部分結晶聚合物中非晶相發生玻璃態-高彈態轉變所對應的溫度。 因而在溫度可能高達 65℃的工業堆肥環境中，聚乳酸可以有效降解。在試驗中，尺寸為 33.0×12.5×3.0 毫米的聚乳酸在 60 天后完全崩解④。[10] 【注】 ④崩解：材料物理斷裂成為極其細小的碎片。 而家庭堆肥的溫度遠低于工業堆肥，降解效果自然相去甚遠。在希臘進行的試驗顯示，厚度為 440 微米⑤的聚乳酸薄膜在 25℃下，11 個月后才完全崩解。[11]聚乳酸在土壤中的生物降解速率也大致如此——土壤中的溫度通常不超過 30℃，完全崩解需要約一年時間。[11] 【注】 ⑤微米：長度單位，縮寫為 μm，相當于毫米的千分之一。 相比在土壤中降解，聚乳酸在水生環境（aquatic environment）⑥中降解的研究則要少得多。但有研究顯示聚乳酸在海水中 45 天后，沒有產生可觀測到的重量損失。[12] 【注】 ⑥水生環境：水生生物生存的外部環境介質，有流水和靜水環境；前者如池塘、湖泊、沼澤、水庫，后者如江河、溪流、泉水、溝渠。 加州資源回收再生部門（CalRecycle）也曾進行一項聚乳酸和聚羥基丁酸酯（PHBV）瓶的降解試驗。聚乳酸瓶放置在 25℃的海水中一年后，并未出現崩解，PHBV 則部分崩解。[13]  不同的濕度、溫度和微生物濃度等因素，使聚乳酸在各種環境中表現出不同的生物降解性 圖｜Wiley 目前，聚乳酸不單被認可為“可堆肥”材料，還常作為生物可降解塑料的典型，被用來宣傳生物可降解材料的優異。這種操作有混淆公眾視聽之嫌疑，因為聚乳酸在陸地上或海水中的降解實際上非常緩慢。[1]  倫敦奧運會上使用的可堆肥塑料餐具 圖｜Ecozema 三、環境影響：必須在長期試驗中 反復進行生態毒理研究 為了評估生物可降解材料的環境影響，通常在受控的實驗室條件下使用模式生物（Model Organism）①進行生態毒性②試驗。[14] 【注】 ①模式生物：作為實驗模型以研究生物學特性所用的生物；從模式生物研究所得的結論，通常可適用于其他生物。 ②生態毒性：某種物質對動物、植物和生態系統造成損害，或對環境造成長期不利影響的作用。 由于相關法規（如 REACH③）多未要求評估塑料材料的環境影響，所以生物可降解塑料的有關生態毒理數據較少。[1]目前的研究集中于生物可降解塑料制品，如農業中使用的塑料地膜（Plastic Mulch Film）④，在應用過程中產生的影響。[15] 【注】 ③REACH：全稱“Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals”，即化學品的注冊、評估、許可和限制，是歐盟對進入其市場的所有化學品進行預防性管理的法規，于 2007 年 6 月 1 日開始生效。 ④塑料地膜：一種用來覆蓋田地的塑料薄膜，以保持農作物生長的適當溫度、濕度等。 覆蓋著農用地膜的農田 對于聚乳酸，有研究發現其降解產物對洋蔥有細胞毒性⑤和遺傳毒性⑥作用；[16]另有研究檢測到聚乳酸地膜（在 84 天后）引起微生物活性（microbial activity）⑦抑制。[17] 【注】 ⑤細胞毒性：引起細胞溶解(細胞死亡)、抑制細胞生長或對細胞產生其他不良反應。 ⑥遺傳毒性：引起基因突變、染色體結構畸變以及其他 DNA 或基因變化的不良反應。 ⑦微生物活性：微生物具有的分解有機質的能力。 這類研究通常局限于在特定時間后測量降解產物的影響，卻無法提供造成毒性的成分的有關信息，也就無法幫助我們進一步理解毒性機理，從而指導生產安全的生物可降解塑料。[1] 這些研究所設定的時限（timing）同樣值得注意。根據歐洲標準 EN 13432，生態毒理學研究在為期三個月的堆肥之后進行。然而即使材料本身是安全的，也可能因降解過程中某些代謝物或作為塑料添加劑⑧的有害化合物的釋放，而產生毒性。[18] 【注】 ⑧塑料添加劑：也叫作塑料助劑，用來改善塑料的性能。 因此有學者認為，只有在長期的降解試驗中反復進行生態毒理學研究，才能提供足夠的數據來正確評估代謝物⑨和殘留物的環境影響。[19] 【注】 ⑨代謝物：代謝反應中的任一個反應物、中間物或產物。 總結 生物可降解塑料是當前降解塑料發展的主流，塑料生物降解性的標準制定是塑料標準化工作的重要內容。經過 30 多年的發展，生物降解塑料標準化工作已經取得顯著進展，但是仍有不少問題等待進一步解決： 現有各標準所用的試驗條件差異較大，所得的生物降解性數據無法實現相互之間的換算；現行的標準方法，大都只能近似反映塑料的降解行為，與真實廢棄塑料的生物降解行為還有一定的差別等。[20] 因此，要建立一套完善且普遍認可的、能更好地模擬塑料廢棄物在自然條件下降解行為的標準，研究者仍需付出更多努力。 參考文獻 -End- 感謝北京市企業家環保基金會提供資金支持。本文內容及意見僅代表作者的個人觀點，與北京市企業家環保基金會的立場或政策無關。  編輯：擺脫塑縛 你“在看”我嗎？  |
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