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可生物降解塑料能解决塑料环境污染问题吗?

发布时间:2021-11-11

塑料污染是全球性的环境问题,陆地生态系统和水生生态系统中的塑料均会对生物造成危害。尽管各国出台一系列的政策来减少塑料废物的产生,但塑料的回收率扔较低,例如,美国塑料废物回收率仅为8%,欧洲塑料回收率30%[1]

什么是可生物降解塑料?

可生物降解塑料是指在自然界如土壤或沙土等条件下,特定条件如堆肥化条件下或厌氧消化条件下,由自然界存在的微生物降解,并最终完全变成二氧化碳、甲烷、水及其所含元素的矿化无机盐以及新的生物质的塑料。

典型的可生物降解塑料聚合物结构如图所示,主要由聚合物与其他生物可降解聚合物(如纤维素或淀粉)组成,可能还含有添加剂、改性剂和增塑剂等。

图 典型的可生物降解塑料聚合物的结构[2]

一般来说,可生物降解塑料降解过程可以分为四个步骤:生物降解、解聚、生物同化和矿化作用。生物降解过程是微生物生物膜的形成导致表面降解,其中聚合物材料破碎成更小的颗粒。解聚作用是微生物分泌胞外酶,进而催化聚合物链解聚成低聚物、二聚体或单体。生物同化作用是小分子被吸收到微生物细胞中,以及随后产生的一级和二级代谢产物。在最后一步,这些代谢物被矿化,最终产物为CO2、CH4、H2O和N2形成并释放到环境中。此外,可生物降解塑料聚合物降解受非生物和生物因素的影响,其中非生物因素主要是指机械应力、光或温度等参数,生物因素则是指天然存在的微生物(如细菌、真菌和藻类)。

图 可生物降解塑料聚合物降解过程示意图[3]

可生物降解塑料的主要用途

包装物及其他一次性用品

塑料的主要用途之一是作为包装物,包装物在垃圾中所占比例很大,减少包装产生的塑料垃圾对全球塑料污染具有重要的积极作用。可生物降解塑料(基于纤维素材料)的塑料包装可以替代食品包装等传统塑料。此外,可生物降解塑料也可以用于许多一次性塑料制品,例如吸管、牙签、棉签和零售袋。

农用地膜

农用塑料地膜是农业生产系统中的重要组成部分,其由不可生物降解的聚乙烯制成,风化和碎裂后残留在田间的薄膜残渣会导致土壤的塑料污染。可生物降解塑料薄膜经过设计,可以在农产品收获或使用后耕种到地下,在自然环境条件下可为微生物作用而引起降解的塑料地膜,无需进行拆除和处置。

与传统的聚乙烯地膜相比,可生物降解塑料地膜表现出同等的农艺性能,但其成本较高以及农民对其性能的不确定性和土壤中降解问题的认识使可生物降解塑料地膜的广泛使用受到阻碍。随着可生物降解塑料的发展和农民意识的增强,可生物降解地膜可以为农业聚乙烯地膜提供可行的替代方法。

图 可生物降解塑料包装物与地膜(图片来源于网络)

可生物降解塑料的处置方法

可生物降解塑料的设计目的是实现其作为塑料的用途,并在使用完成后能够降解。目前,可生物降解塑料的降解方法主要有堆肥、厌氧消化和土壤降解三种方式。

堆肥

堆肥是可生物降解塑料的主要降解方法之一。塑料在堆肥条件下,通过微生物的作用,可在一定时间内转化成二氧化碳、水及其所含元素的矿化无机盐以及新的生物质。

图 堆肥工艺流程图(图片来源于网络)

厌氧消化

厌氧消化是堆肥的一种替代方法,可作为可生物降解塑料的降解方法。可生物降解塑料的厌氧消化以沼气的形式产生能量,相比于堆肥或焚烧,产生的温室气体排放量更少。对于堆肥效果不佳的可生物降解塑料,厌氧消化是堆肥的一种特别有用的替代方法。

图 厌氧消化过程图(图片来源于网络)

土壤中的降解

可生物降解塑料地膜的一个重要标准是其聚合成分的碳需在24个月以内转化成90%以上的二氧化碳。可生物降解塑料地膜一般先被破碎为较小的碎片,然后再进行进一步的生物降解,但由于土壤环境(例如微生物种群、温度和水分含量)差异很大,生物降解塑料可能与标准实验室测试结果具有较大的差异,不能保证可生物降解塑料确实会在24个月内在田间土壤中降解。

可生物降解塑料的挑战

塑料碎片迁移:可生物降解塑料在降解过程中,首先会被降解为碎片,形成微塑料和纳米塑料,这些微塑料和纳米塑料可以被土壤生物吸收,也可能会迁移到水生生态系统中,但是水生生态系统中的生物降解效率要低,会引起环境问题[4]

不可降解成分:可生物降解塑料聚合物中含有不可生物降解成分(例如增塑剂、染料和填料),当其可生物降解部分被降解时,残留的不可生物降解成分会对环境造成危害。

处置方法选择:不同类型的可生物降解塑料存在不同的性能,有些可生物降解塑料易在堆肥或者厌氧消化中降解,在土壤中的降解效率低,有些刚好相反。在选择可生物降解塑料的处理方法时要充分考虑可生物降解塑料的降解方法,选择适宜方法进行处理。

公众意识:公众可能会将可生物降解塑料认为在任何环境中均可生物降解,从而增加乱抛垃圾的风险,因此需要加强对公众可生物降解塑料处置方法的教育宣传,减少乱抛垃圾的情况,以便在塑料使用后收集可生物降解塑料,采取合适的方法进行降解。

可生物降解塑料能够有效减少塑料对环境污染情况,但其必须在特定的处理情况下使用和管理才能发挥其效用。解决全球塑料问题需要采取多方面的措施,可生物降解塑料在一定程度上能够缓解塑料环境污染问题,但是仍需要社会各界的共同努力。

参考文献

[1] Advancing Sustainable Materials Management: Facts and Figures 2013[J], 2015.

[2] Flury M, Narayan R. Biodegradable plastic as an integral part of the solution to plastic waste pollution of the environment[J]. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, 2021, 30: 100490.

[3] Haider T P, Volker C, Kramm J, et al. Plastics of the Future? The Impact of Biodegradable Polymers on the Environment and on Society[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 2019, 58(1): 50-62.

[4] Sintim H Y, Bary A I, Hayes D G, et al. Release of micro- and nanoparticles from biodegradable plastic during in situ composting[J]. Sci Total Environ, 2019, 675: 686-693.


(作者:孟琪

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