圖片:PBS薄膜在土壤中孵育六周后表面的電子顯微鏡圖像:PBS表面顯示出因真菌菌絲和細菌定植而降解的明顯跡象。
圖片來源:蘇黎世聯邦理工學院/ Michael Zumstein
現代農業使用大量塑料，特別是農民用來覆蓋農田土壤的地膜。這為作物保持土壤濕潤，抑制雜草，促進作物生長。然而，對農民來說，在使用后收集和處理傳統聚乙烯薄膜通常是非常耗時和昂貴的。此外，不可能重新收集所有的薄PE薄膜，因為它們很容易撕裂。這意味著PE碎片會留在土壤中，并在那里積累，因為PE不會降解。
生物可降解地膜是一種很有前途的替代品，因為與PE膜相比，它在理想情況下不會在土壤環境中留下任何聚合物成分。它所含的可生物降解聚合物是經過精心設計的，這樣微生物就可以利用它們來產生能量并建立細胞生物量。生物可降解聚合物在其主干結構中有預定的化學“斷點”。自然存在的微生物，如土壤中的微生物，可以向環境中釋放酶，攻擊聚合物中的這些點并將其分解。釋放出的小降解產物被微生物吸收，最終通過呼吸形成最終產品CO2.
這就是為什么證明CO2聚合物碳的形成對生物降解至關重要。也因為除了真正可生物降解的塑料之外，還有含有特定添加劑的PE虛假標簽塑料。這些薄膜只分解成肉眼看不見的非常小的微塑料。因為它們沒有被微生物降解，所以會在環境中積累。
新方法抓住了生物降解的所有方面
直到現在，基于現有的方法，還不可能跟蹤聚合物生物降解的整個過程。但在過去的幾年里，蘇黎世聯邦理工學院的環境化學小組開發了一種新的方法來跟蹤和測量聚合物是否在土壤中生物降解以及降解到什么程度。他們的研究結果剛剛發表在自然 通信.
這些結果可能會改變未來聚合物生物降解的研究方法。該項目還包括來自ETH地球科學系和Eawag的研究人員，以及來自化學公司巴斯夫的員工。
這種新方法是基于使用帶有穩定碳同位素標記的聚合物(13C).這種標記允許研究人員有選擇地跟蹤聚合物的性質13C在土壤中的生物降解過程中，所以他們可以明確地證明生物降解確實在發生。到目前為止，塑料的生物降解性僅用非同位素標記聚合物進行了測試。聚合物(或由一種或多種聚合物組成的塑料材料)如果所添加的聚合物碳的部分轉化為CO，則被認證為可生物降解的2在特定潛伏期超過預定義水平。例如，生物可降解地膜的標準要求兩年的土壤培養，其中至少90%的地膜碳被“礦化”為CO2.
PBS薄膜在土壤中孵育六周后表面的電子顯微鏡圖像:PBS表面顯示出由真菌菌絲和細菌定植而降解的明顯跡象。(圖片:邁克爾Zumstein)
這些測試方法作為檢測聚合物礦化的一種合適手段已經得到了很好的證實。然而，它們并沒有捕捉到生物降解的全部程度，因為它們只測量CO2形成。因此，研究人員使用今天的標準方法無法檢測出在孵化期結束時土壤中殘留的聚合物碳的數量。此外，尚不清楚這些剩余的碳是否仍然以添加的聚合物的形式存在，或者微生物是否已經將其吸收到它們的生物量中。
封閉碳質量平衡
ETH研究人員及其同事開發的方法消除了這些歧義。在他們的測試中，他們使用13c標記的聚丁二酸琥珀酸酯，或PBS，是一種重要的商業生物降解聚酯，也用于地膜。
研究人員現在能夠選擇性地追蹤13生物降解過程中PBS中的C:除了確定礦化到13有限公司2，通過量化PBS衍生的殘留量，作者證明了PBS碳的完全質量平衡13C在培養后留在土壤中。
“我們很高興看到在425天的土壤培養過程中碳質量保持平衡。這表明我們可以準確地確定聚合物碳的最終位置——大約三分之二在CO中2三分之一在土壤中——在這些非常長的潛伏期中，”該研究的主要作者泰勒·納爾遜解釋說，他在環境化學小組獲得了博士學位。
研究人員還想知道作為PBS添加的碳以何種形式留在土壤中。有多少被吸收到微生物生物量中，有多少仍然作為剩余的PBS存在?
為了回答這個問題，作者在培養結束時從土壤中提取并量化了殘留的PBS。他們能夠表明，雖然大多數碳仍然以PBS的形式存在，但有相當一部分(7%)添加的PBS碳已經融入到微生物生物量中。
準確確定有多少聚合物仍然存在，以及有多少聚合物碳被納入到生物質中，這對于未來的研究和開發新的可生物降解聚合物至關重要。“我們現在可以系統地測試土壤條件和聚合物性質，允許聚合物完全生物降解為CO2以及微生物生物量——我們可以評估可能隨著時間推移減緩聚合物生物降解的因素，”ETH環境化學組教授邁克爾·桑德解釋道。
這項工作已經在進行中:使用新的方法，該小組目前正在研究進一步的聚合物在各種農業土壤中的生物降解，包括在田間。“通過這種方式，我們希望確保生物可降解聚合物名符其實，不會留在環境中，”蘇黎世聯邦理工學院環境化學教授、同名研究小組負責人克里斯托弗·麥克尼爾(Kristopher McNeill)說。
桑德指出:“用可生物降解的聚合物取代傳統聚合物有助于減少塑料污染，特別是在聚合物直接用于環境的應用中，這種聚合物在使用后很有可能仍然存在。”
