研究背景：

尽管塑料具有应用和优点，但许多塑料的顽固性意味着它们会在环境中停留数十年甚至数百年。因此，大量的塑料积聚在环境和垃圾填埋场中，导致环境污染和废物管理问题。可生物降解塑料被认为是一种潜在的解决方案。

PHB可以通过PHB解聚酶的作用被一系列细菌物种降解，可以在堆肥等微生物活性环境中在5-6周内降解。聚乳酸（PLA）是一种脂肪族聚酯，由小丙交酯（C3H4O2）单体，可以通过淀粉，糖蜜和纤维素等材料的发酵产生，占全球可生物降解聚合物产量的24%。PLA可以通过非生物和生物过程降解，包括一系列微生物，当堆肥温度达到60°C及以上时可以完全降解。聚（1，4-丁烯）琥珀酸酯（PBS）也是由琥珀酸丁二酸丁酯（C8H12O4）单体。PBS也可以由各种回收材料生产，并且可以被细菌和真菌自然降解。据观察，由于堆肥中较高的温度和湿度条件，堆肥中PBS的降解率高于天然土壤。聚己内酯（PCL）是一种热塑性合成聚合物，由己内酯（C6H10O2）单体。PCL与许多其他聚合物相容，可用于许多应用。研究报告说，PCL在许多自然环境中都是可降解的，例如土壤，海水和活性污泥。这种线性脂肪族聚酯的水解酯键使其容易受到微生物通过脂肪酶和酯酶作用降解的影响。

关于这些材料在土壤或堆肥中完全降解所需的时间，或允许有效降解的生物和非生物条件，人们知之甚少。此外，以前的大多数研究都集中在监测塑料粉末或塑料混合物（与淀粉或纤维或任何其他可降解材料混合的可生物降解塑料）的降解上。本研究的目的是确定四种聚合物PCL，PHB，PLA和PBS作为未混合的圆盘或条在土壤和堆肥条件下的降解速率。

研究内容：

曼彻斯特大学的杰弗里·罗布森教授团队在土壤和堆肥内的一系列温度下检查聚合物降解。这些温度代表温带土壤中典型的嗜温温度（25°C，37°C，45°C）和嗜热温度（50°C，55°C），可以在堆肥中达到。此外，还在不受控制的田间土壤条件下检查了聚合物降解情况。并采用各种方法用于评估可生物降解聚合物的降解，包括二氧化碳的演化、透明区的形成、机械性能的变化（如拉伸强度的损失）和重量损失的测量。在这项研究中，聚合物机械性能的变化和重量损失被用来评估PCL、PHB、PLA和PBS的生物降解。最后，使用形态学和测序方法来确定主要的定植真菌菌株，并检查其中一些菌株是否对介导聚合物的降解很重要。

主要研究结果：

图 1：埋在堆肥中的聚合物盘的重量随时间变化。将PCL（a），PHB（b），PLA（c）和PBS（d）盘埋在实验室的堆肥中，并在25°C，37°C或50°C下孵育，并以大约7 d的间隔计算平均剩余重量。所有数据均为平均百分比重量值重复测量7次平均值的标准误差。

图 2：埋在土壤中的聚合物圆盘的重量随时间变化。将PCL（a）、PHB（b）、PLA（c）和PBS（d）圆盘埋在实验室的土壤中，并在25°C或37°C下孵育，并以大约20 d的间隔计算平均剩余重量。所有数据均为平均百分比重量值重复测量7次平均值的标准误差。

图 3：在不受控制的环境条件下，埋在土壤中的聚合物盘的重量随时间变化。将PCL（a），PHB（b），PLA（c）和PBS（d）圆盘埋在田间环境中的土壤中，并每隔大约2-4个月计算平均重量。未掩埋（对照）样品在室温下保持干燥。所有数据均为平均百分比重量值重复测量3次平均值的标准误差。

图 4：在堆肥中孵育后随时间残留的PCL粉末的平均百分比。将堆肥中的10%PCL在五种不同的温度下孵育，并在1周内每隔8周回收一次以进行定量。所有数据均为平均百分比重量值重复测量3次平均值的标准误差。

图 5：随时间推移在堆肥中孵育的 PCL 条的拉伸强度测量。在四种不同温度下埋在堆肥中的PCL条在1周内每隔10周回收一次，以进行拉伸强度测量。在45°C和50°C下，在所有试纸完全降解之前，试纸只能分别回收8周和5周。所有数据均为重复测量4次平均值的标准误差。

图 6：通过SEM可视化聚合物圆盘表面的真菌生长。将PCL（a），PHB（b），PLA（c）和PBS（d）盘埋在25°C的土壤中或50°C的堆肥中，并回收圆盘进行分析。比较来自干燥室内环境的未掩埋控制盘，以确认没有背景真菌生长。

图 7：从堆肥中PCL表面分离的真菌菌株在50°C下降解PCL条的能力。与疏松嗜热霉菌株PCL（A）和PCL（B）在18°C孵育50 d后的拉伸强度数据。所有数据均为重复测量3次平均值的标准误差。

研究结论：

曼彻斯特大学的杰弗里·罗布森教授团队研究了四种可生物降解聚合物在受控条件下和自然环境中的生物降解速率。在这两种条件下，与PLA，PHB和PBS相比，PCL表现出更快的降解。由于微生物活性，温度与受控条件下PCL降解速率高度相关。疏毛锥虫菌株在所有测试的聚合物上生长，并直接导致PCL的降解。

参考文献：

Microbial degradation of four biodegradable polymers in soil and compost demonstrating polycaprolactone as an ideal compostable plastic.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.wasman.2019.07.042