生物降解论文（精选12篇）
生物降解论文 篇1
摘要：采用制药废水, 试验对比研究了微氧水解酸化工艺改善难生物降解废水生物降解性能的效果及其对环境条件的影响。结果表明, 微氧环境提高了兼性水解酸化菌的生理代谢功能, 较好地抑制了恶臭类厌氧副产物的产生, 改善了周围环境。在污泥量为25000mg/L、HRT为12h条件下, 废水的生物降解性能得到了极大改善, 中、高浓度废水BOD5/COD分别提高了20%和16%, 为后续生物处理提供了良好的基质准备。工艺抗毒性和冲击负荷能力较强, 处理效率恢复较快。
关键词：微氧水解酸化,难生物降解废水,生物降解性能
难生物降解废水的处理一直是污水处理中的难点。废水中的可生物降解物质是废水生物处理的物质基础, 因而实现难生物降解物质向可生物降解物质的转化就成为难生物降解废水生物处理的关键性步骤。水解酸化是污水厌氧消化的第一阶段, 由兼性水解酸化菌完成, 其生理生态及代谢特性完全不同于严格厌氧菌, 且具有繁殖能力强、代谢速率快, 对外界环境适应能力强的特点, 能在较短的HRT, 较宽的pH范围和较低的温度条件下, 有效的转化和降解某些毒性物质和难生物降解物质, 能够实现芳香烃及杂环化合物的开环裂解等[1], 从而将废水中的悬浮性固体物质转化为溶解性物质, 将难降解和具有生物毒性抑制性作用的大分子物质转变成易于生物降解的小分子物质, 改善废水的生物降解性能, 成为其他生物处理工艺的有效预处理阶段。本研究采用制药废水进行试验, 探究了微氧水解酸化工艺对难生物降解废水生物降解性能的改善作用及其系统运行效果, 并考查了其对环境条件的改善。
一、 试验装置与方法
1.试验装置。
试验装置如图1所示。试验采用底部产生较大气泡的穿孔曝气方式, 孔径为Φ3mm。采用平流式堰流出水, 不设甲烷集气装置。
2.试验水质。
本试验采用中、高两种浓度的制药废水进行研究, 该废水具有残留有机物质的毒害抑制性作用强、难生物降解物质品种多的特点。
由表1可见, 本试验采用的废水水质波动性较大, 硫酸盐含量较高, 悬浮物含量较多, 且VSS/SS值较高, 抑制性有机溶媒COD含量较大, 导致高、中浓度试验废水的BOD5/COD值分别在0.35和0.40左右。试验测定出的废水BOD5/COD值并不低的结果, 主要是由于测定时废水的大倍数稀释而产生的其生物毒性抑制性作用明显降低而带来的误差结果, 实际上废水的生物降解性能更差。
3.试验方法。
试验采用实际生产排放的废水, 现场进行试验。采用对比试验的方式, 分别研究厌氧与微氧条件下的水解酸化效果。
二、 试验结果与分析
1.废水生物降解性能改善。
废水的生物降解性能是决定废水处理系统运行效果及处理水质好坏的关键因素。表1的试验废水水质表明, 其可生化性并不好, 因此, 此类废水生物降解性能的改善有良好的物质基础并有较大的提升空间。水解酸化工艺将大分子难生物降解物质开环裂解生成的小分子VFA是其生物降解性能改善的物质基础。图2、3所示分别为HRT12h条件下, 微氧水解酸化工艺对中、高浓度废水生物降解性能的改善情况。
试验结果表明, 经微氧水解酸化后, 两系统废水生物降解性能均得到了较大改善, 中浓度废水BOD5/COD提高了20%左右, 高浓度废水BOD5/COD提高了16%左右, 而在同等条件下, 厌氧水解酸化生物降解性能提高的效果相对要低10%左右。此外, 从图中还可看出, 经微氧水解酸化工艺后, 废水生物降解性能的改善情况与进水生物降解性能相关性较大, 即进水生物降解性能越好, 经水解酸化后其BOD5/COD提升越多。中浓度废水生物降解性能的改善情况要好于高浓度废水也说明了这一点。这主要归因于进水中残留物质的生物毒性抑制性作用, 同时也显示了系统较好的毒性和负荷缓冲性能。废水经水解酸化后BOD5未降反升的现象, 充分表明了微氧水解酸化系统功能的发挥, 废水中悬浮态大颗粒难降解物质得到了降解, 生物毒性得到了降低或消除, 废水生物降解性能得到了改善。对比研究还表明, 微氧环境提高了兼性水解酸化菌的生理代谢功能, 穿孔曝气改善了水力条件, 增加了系统内微生物与有机基质间的接触机会, 强化了水解污泥与有机底物之间的传质作用, 提高了系统酸化效率。
2.COD去除效果。
水解酸化工艺重点在于污染物质化学结构和性质上的改变, 而不在于其量的去除[1,3,4], 尤其当进水COD浓度较低时, 往往出现COD负去除率的情况, 这主要是由截留在污泥床中的VSS被酸化生成VFA而释放到出水中引起的。大多数产酸菌为亲水性 (高表面能, 接触角大于45°) [5], 对溶解性及胶体性有机物具有较好的吸附去除效果。COD的去除主要是依靠污泥层的截留作用和大颗粒有机物质的沉淀作用而完成的, 去除的主要是悬浮性和污泥吸附的胶体性COD, 而HRT对COD的去除率影响不大。试验结果表明, 中浓度废水COD去除率为15%～20%, 而高浓度废水COD去除率仅达到10%～15%, 而在同等条件下, 厌氧水解酸化COD的去除率普遍要高5%左右, 这主要是由厌氧水解酸化系统良好的沉降环境产生的, 微氧水解酸化系统出水携带SS较高是导致其出水COD较高的主要原因。
3.抗冲击负荷性能。
进水量和进水浓度的突然增大所产生的容积冲击负荷也可使水解酸化效果明显降低。然而在恢复正常进水后, 微氧水解酸化系统比厌氧水解酸化系统能更快地恢复到原来的处理效果。反应器中大量兼性水解酸化菌的存在是工艺稳定高效运行的生物学基础。在进水水质波动较大的情况下, 出水水质相对稳定, 表现出较好的抗冲击负荷能力和系统稳定性。
4.HRT对水解酸化效果的影响。
试验结果表明, HRT对微氧水解酸化效果影响较大。当HRT从24h逐渐缩短至12h时, 水解酸化效果有小幅降低, 而当HRT继续降低至8h时, 水解酸化污泥絮体颗粒变小, 沉降性能变差, 系统出水出现明显浑浊, 废水BOD5/COD提高幅度减小, 水解酸化效果明显降低。因此, 综合考虑水解酸化效果、能耗和工程应用可行性, 对于该试验废水, 采用HRT为12h是适宜的。
5.对环境条件的改善。
废水厌氧生物处理过程中产生的H2S、吲哚、粪臭素和硫醇等恶臭类副产物对周围环境影响较大[6]。这些物质主要产生于厌氧消化的产氢产乙酸阶段, 而水解酸化工艺将生化反应进程严格控制在水解酸化阶段, 从而可以较好地避免恶臭类物质的产生。微氧水解酸化工艺中微氧环境的引入对于生成恶臭类副产物的严格厌氧菌有较强的生物毒性抑制性作用, 极大地降低了该类物质的产生, 较好地改善了周围环境。
三、 结论
通过以上的研究分析, 可以得出以下结论:
(1) 微氧水解酸化工艺对难生物降解废水生物降解性能有较好的改善作用。试验废水BOD5/COD提高了16%～20%, 为后续生物处理提供了良好的基质准备。
(2) 微氧水解酸化工艺重点在于污染物质化学结构和性质上的改变, 而不在于其量的去除。
(3) 反应器内大量兼性水解酸化菌的存在是微氧水解酸化工艺稳定高效运行的生物学基础。
(4) 微氧水解酸化工艺能够较好地抑制恶臭类厌氧副产物的产生, 极大地改善了周围环境。
参考文献
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[4]王凯军.低浓度污水厌氧—水解处理工艺[M].北京:中国环境科学出版社, 1991
生物降解论文 篇2
研究了黄孢原毛平革菌对聚丙烯酰胺(PAM)的.生物降解,从葡萄糖的加入量、pH、N浓度、Mn2+浓度和降解时间5个方面考察了对PAM降解的影响.结果表明,黄孢原毛平革菌对聚丙烯酰胺具有特殊的酶催化降解的能力,降解率可达50%,限氮条件(NH4+=0.2g/L)和Mn2+浓度(Mn2+=0.017 5g/L)是菌株产聚丙烯酰胺降解酶的最佳条件.
作 者：韩昌福 郑爱芳 李大平HAN Chang-fu ZHENG Ai-fang LI Da-ping 作者单位：韩昌福,郑爱芳,HAN Chang-fu,ZHENG Ai-fang(中国科学院成都生物研究所,成都,610041;中国科学院研究生院,北京,100039)
李大平,LI Da-ping(中国科学院成都生物研究所,成都,610041)
日本科学家发现可降解塑料微生物 篇3
大多数一次性水瓶使用的都是PET塑料，这种材料被视为是对环境危害最大的塑料之一。但研究人员近日找到了一种或许能够拯救我们地球的细菌。这种细菌可以在塑料上茁壮生长，然后使塑料分解。“从瓶子到衣服，消费者产品中塑料的大量使用，已经导致无数吨塑料流入了环境中。”这篇发表在《自然》（Science）杂志上的研究报告中写道，“这种名叫Ideonella sakaiensis的新物种能够使用两种酶将塑料水解，将其变为自己生长所需的物质。”
PET在其他产品中也有着广泛的应用，如涤纶衣服、冷冻食品塑料盒以及吸塑包装等。但这种材料从发明到现在只有70年，因此研究人员认为，这种细菌是逐渐演化出了分解塑料、以塑料为生的能力的。
日本京都工艺纤维大学（Koto Institute of Technology）的Kohei Oda和庆应义塾大学（Keio University）的Kenji Miyamoto是本次研究的带头人，他们对日本一家PET塑料瓶回收工厂的250份土壤、废水和沉淀物的样本进行了分析。
该研究团队就是在这里发现了这种细菌会黏附在塑料薄膜上的。根据发现它的城市，他们将这种细菌命名为Ideonella sakainesis。研究人员在对这种微生物进行观察之后发现，它使用了两种酶：一种酶负责将PET分解为一种名叫单体对苯一甲酸乙二醇酯（MHET）的中间体，另一种酶叫做MHETase，能够将MHET水解为单对苯二甲酸和乙二醇。
“在对环境中能接触到PET的自然微生物群落进行筛查之后，我们分离出了一种新发现的细菌，名叫Ideonella sakaiensis201-F6。它将PET作为其主要的碳和能量来源。”研究人员说道。这种细菌附着到PET表面之后，就会开始释放两种酶中的第一种，先将PET分解为一种中间体化学物质。第二种酶随后会将这种化学物质进一步分解，为细菌提供更多能量。
“在PET上生长时，这种细菌会制造出两种酶：一种用来将PET水解，另一种用来将反应中间物MHET水解。”
“只有这两种酶共同作用，才能将PET有效转化为对苯二甲酸和乙二醇这两种对环境友好的物质。”
研究人员相信，只要能将温度保持在86华氏度（30摄氏度），这种细菌便能在六周之内分解一片PET薄膜。但也有一些研究人员并不买这种细菌的账。虽然他们对此深受震动，但他们认为这种细菌的作用依然有限，“例如，我们目前还不清楚，它们能不能清除海洋中的细菌。”“我不知道这样做有什么好处，”正在马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所研究海洋中塑料的特雷西·明瑟（Tracy Mincer）说道，“比起把塑料瓶放进回收箱、将它们融化后做成新的塑料瓶，我看不出用细菌降解塑料的优势在哪里。”
明瑟相信这些研究发现将帮助我们找到其他具有降解PET能力的细菌。“过程可能都大同小异，”他说道，“既然我们已经知道寻找的目标是什么了，也许我们很快就会在世界各地发现这些细菌的。”（新浪科技）
生物降解论文 篇4
关键词：皮革化学品,加脂剂,可生物降解性,环境友好性
引言
制革生产中常使用多种化工材料以满足不同工段的加工要求, 如鞣剂、复鞣剂、加脂剂、染料等, 部分化工材料会不可避免地残留在制革废水中而产生污染排放。制革化学品种类繁多, 即使对某一类制革化学品往往也存在着多种选择, 这给企业筛选和组合使用制革化学品以达到最小污染排放带来了一定难度。基于此, 研究不同制革化学品的环境友好性就显得非常重要。目前, 污水处理厂或制革企业仍然采用生化方法作为污水的主要处理手段, 因此不同制革化学品的生物降解特性就直接影响其环境友好性。某种制革化学品生物降解性好, 易于活性污泥处理, 它往往被认为是环境友好型材料。相反一种难以被活性污泥降解的制革化学品即使在废水中残留浓度较低, 却容易导致更严重的污染, 其环境友好性就较差。
制革行业正逐渐推广环境友好型材料以减少污染。然而, 不同制革化学品的环境友好性究竟如何, 人们却很少做系统的研究, 这在一定程度上妨碍了环保型材料和制革清洁技术的推广应用。因此, 作者基于材料的生物降解特性, 对几类制革生产中普遍使用的化学品的环境友好性进行了研究, 本文首先研究了几种典型加脂剂的可生物降解性。
1 试验部分
1.1 仪器和药品
HI99721微电脑COD测定仪, HI99724A-6 BOD测定仪, 意大利哈纳公司。
所测试加脂剂均购自亭江精细化工有限公司, 其特性如下所述。硫酸化蓖麻油, 阴离子型, 深红液体, 质量分数>60%, pH 6.0～8.0 (1∶9稀释后, 下同) ;硫酸化牛蹄油, 阴离子型, 褐色液体, 质量分数>70%, pH 6.0～8.0;硫酸化鱼油, 阴离子型, 褐色液体, 质量分数 (70 ± 0.5) %, pH 4.0～6.0;卵磷脂, 阴离子型, 粘稠褐色液体, 质量分数 (60 ± 0.5) %, pH 7.0～8.0;氯化石蜡, 阴离子型, 淡黄色液体, 质量分数>80%, pH 6.0～7.5;烷基磺酰氯, 阴离子型, 淡黄色液体, 质量分数>75%, pH 6.5～9.0。其他化学药品都为分析纯。
1.2 研究方法
活性污泥取自制革厂的废水生化处理池。取回的活性污泥静置1 h后, 倒去上清液, 剩下的污泥 (悬浮固形物SS: 2.6 g/L, pH 8.2) 按1∶1体积比加入自来水, 连续搅拌曝气8 h以上, 待用。加脂剂生物降解过程中, 采用BOD测定仪监测其生化耗氧量的变化。取20 mL已充分曝气的活性污泥于BOD测量瓶中, 瓶中预先加入规定体积的待分析加脂剂。为防止生物降解过程中发生硝化反应, 在瓶内加入了硝化抑制剂。实验中所采用的BOD测定仪是一个基于压力变化的测定系统, 因此在瓶口橡胶盖上滴加3～4滴45%的氢氧化钾溶液, 以消除瓶内因CO2所产生的压力变化。将BOD瓶置于测量架上, 电磁搅拌, 于恒温 (20 ℃) 培养箱中培养。
以蒸馏水代替加脂剂样品与活性污泥混合, 作为空白实验以测定活性污泥的内源呼吸。所有样品在生物降解实验前其pH值都调至中性。实验中某时刻加脂剂的生物降解率定义为:该时刻样品降解所产生的生化耗氧量BODt与降解前废液化学需氧量COD0的比值, 即BODt/COD0值。生化处理5 d后, 测定样品残留化学需氧量COD5, 计算COD去除率:
COD去除率= (COD0-COD5) /COD0 ×100%
COD和BOD5采用相应测定仪分析。
2 结果和讨论
2.1 基于BOD5/COD值的加脂剂可生化性分析
生物降解研究中, 材料的BOD5/COD值通常被用作评价其可生化性好坏的依据, 如果BOD5/COD > 0.35, 便认为样品易于生物降解, 比值越高其可生化性就越好;相反, 当BOD5/COD < 0.2时, 便认为样品难以生化处理。基于此, 研究中测定了各加脂剂的BOD5/COD值, 结果如表1所示。可见, 在125～750 mg/L质量浓度范围内, 所测试的3种硫酸化加脂剂 (牛蹄油、蓖麻油、鱼油) 和卵磷脂表现了良好的生物降解特性, 但是氯化石蜡和烷基磺酰氯却难以降解。特别是烷基磺酰氯, 在其活性污泥作用过程中检测不到耗氧量的变化, 说明它不能被活性污泥降解。上述加脂剂可生化性的差异可能是由于3种硫酸化加脂剂 (牛蹄油、蓖麻油、鱼油) 和卵磷脂均为天然动植物油脂的加工产品, 而氯化石蜡和烷基磺酰氯为合成加脂剂, 活性污泥对源于天然动植物油脂的加脂剂具有较强的适应和降解能力。
1) 加脂剂质量浓度 (mg/L) ;2) 未检测出BOD5, 其值为零。
以BOD5/COD值判断制革化学品的可生物降解性, 方法简单易行。但事实上, 该方法具有一定的局限性, 它不能表征材料的实际生化处理过程, 特别是不能反映其长期生物降解特性, 甚至有时样品的BOD5/COD值与其可生化性两者并非一致[1]。因此, 本文将从材料的生物降解率、生物降解模型及动力学特性、COD去除率等方面, 进一步研究不同制革加脂剂的环境友好性。
2.2 加脂剂生物降解特性
活性污泥法被广泛应用于废水的生物降解处理, 它是一种以好氧微生物为主, 使有机物降解、稳定的无害化处理方法。当活性污泥不受外界影响, 其呼吸作用利用的基质是微生物自身的细胞物质, 此时耗氧量与时间的变化称为内源呼吸线。废水曝气处理时, 活性污泥降解有机物而消耗环境中的氧气, 称为生化呼吸。用活性污泥处理某种材料, 通过比较其生化与内源呼吸作用, 可以准确反映材料的可生物降解性[2]。如生化呼吸线位于内源呼吸线之上, 说明该材料可被微生物降解, 两条呼吸线之间的距离越大, 材料降解率越大, 反之亦然;如生化呼吸线与内源呼吸线基本重合, 表明该材料不能被活性污泥分解, 但对污泥的生物活动无抑制作用;如生化呼吸线位于内源呼吸线之下, 说明该材料对活性污泥产生了抑制作用, 生化呼吸线越接近横坐标, 抑制作用越大。基于该方法, 本论文研究了各测试加脂剂的生物降解特性。如图1所示, 可以看出氯化石蜡的生化呼吸线与内源线交替重叠, 说明活性污泥难以降解它;而烷基磺酰氯的生化呼吸线处于内源线以下, 这表明即使在较低质量浓度 (125 mg/L) 条件下, 烷基磺酰氯不但难以被活性污泥降解, 而且它对活性污泥具有一定的抑制作用。
与氯化石蜡和烷基磺酰氯不同, 硫酸化牛蹄油、硫酸化蓖麻油、硫酸化鱼油和卵磷脂的生化呼吸线都在内源线以上 (图1, 硫酸化鱼油和卵磷脂图省略) , 表现了相对更好的可生物降解特性, 其生物降解率变化如图2所示。可以发现, 在500 mg/L初始质量浓度条件下, 硫酸化牛蹄油、硫酸化蓖麻油、硫酸化鱼油和卵磷脂5天后的降解率分别为38.5%, 65.4%, 43.1%和55.5%。四种加脂剂中硫酸化蓖麻油显示了相对更好的可生化特性, 当初始质量浓度为1500 mg/L, 活性污泥处理5 d后, 其生物降解率达57.4%。
2.3 加脂剂生物降解模型及降解动力学特性
文献表明, 有机物在低浓度条件下进行活性污泥处理时, 其生化耗氧量 (BOD) 随时间的变化接近单分子反应历程, 符合一级反应动力学模型[3,4]。如前所述, 活性污泥对硫酸化牛蹄油、硫酸化蓖麻油、硫酸化鱼油和卵磷脂表现了一定的降解能力, 基于此, 本文通过模型建立, 进一步研究了这四种加脂剂的生物降解特性。假定加脂剂溶液完全生化需氧量为L0, 则t时刻其呼吸速率与残留生化需氧量Lt成正比, 有:undefined
可知 , 从而Lt=L0exp[-k (t-t0) ]从而yt=L0-L0exp[-k (t-t0) ]
其中:t为生化作用时间 (d) ;Lt为t时刻加脂剂残留生化需氧量 (mg/L) ;yt为t时刻加脂剂生化耗氧量BODt (mg/L) ;L0为加脂剂完全生化需氧量 (mg/L) ;k为加脂剂的特征耗氧速率常数 (1/d) ;t0为生物降解滞后期 (d) 。该模型包括的三个动力学参数分别反映加脂剂的不同生物降解特性。其中完全生化需氧量与初始化学需氧量的比值 (L0/COD) 可直接反映加脂剂的可生化程度, 特征常数 (k) 体现降解速度, 而降解滞后期 (t0) 可以反映活性污泥对加脂剂的适应特性。通过动力学研究, 可以更全面、更科学地认识加脂剂的生化处理特性。
基于上述降解模型, 各加脂剂的降解动力学研究结果如表2所示。可以看出, 在250 mg/L条件下, 硫酸化蓖麻油和卵磷脂的k值相对较高, 而其to值较小, 表明活性污泥能更快地适应和降解这两种加脂剂, 其可生化降解程度分别为78.3%和77.2%。此外, 动力学研究表明硫酸化牛蹄油和硫酸化鱼油也具有良好的可生物降解性, 其初始COD分别为360 mg/L和452 mg/L, 降解滞后期分别为3.32 h 和4.27 h, 耗氧速率常数分别为0.763 d-1和0.749 d-1, 而其可生化降解程度分别为68.3%和57.7%。
1) 各加脂剂质量浓度为250 mg/L
2.4 基于COD去除率的加脂剂生化处理特性研究
活性污泥处理主要通过好氧生物降解有机物, 从而降低废液的COD浓度。此外, 厌氧生物的降解以及污泥的吸附作用也会导致废液中有机物减少, COD浓度降低, 增强生化处理效果[5]。因此, 本文研究了不同加脂剂在活性污泥处理过程中的COD去除情况, 以表征其实际生化处理效果。如表3所示, 活性污泥处理5 d后, 硫酸化牛蹄油、硫酸化蓖麻油、硫酸化鱼油和卵磷脂都显示了较高的COD去除率, 其中硫酸化蓖麻油的COD去除率达99.4%;而烷基磺酰氯的COD去除率为4.6%, 这些现象与前几部分的研究结论一致, 说明硫酸化牛蹄油、硫酸化蓖麻油、硫酸化鱼油和卵磷脂这四种加脂剂易于生化处理, 而烷基磺酰氯难以被活性污泥降解。前述研究发现活性污泥不能降解氯化石蜡, 然而它在活性污泥处理5天后显示了较高的COD去除率, 达79.0%, 考虑到在活性污泥处理中, 厌氧微生物将受到一定的抑制, 所以可以认为该去除率应主要源于活性污泥对氯化石蜡的吸附去除作用。
3 结论
结果表明硫酸化牛蹄油、硫酸化蓖麻油、硫酸化鱼油和卵磷脂易于活性污泥处理, 有利于环境保护, 制革生产中应优先使用这四种加脂剂;然而氯化石蜡和烷基磺酰氯难以生物降解, 应减少或限制使用, 否则它们在周边环境中的积累可能导致严重的污染问题。
参考文献
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塑料袋可生物降解性研究 篇5
塑料袋可生物降解性研究
对3种不同聚合材料的塑料袋生物降解特性借助BOD数字呼吸仪进行了降解试验.试验结果表明,不同类型聚合材料的.塑料袋生物可降解性有较大的差异,这种差异来源于不同材料本身的特性以及用于改善塑料袋机械性能的添加剂等对生物降解的抑制作用.生物降解性能最好的塑料袋是由聚己内酰胺和聚酰胺脂两种聚合材料组成的,在40 d的试验期间降解率达到了76%,而由脂肪族-芳香-共聚多醚以及聚己内酰胺和添加剂混合材料制成的另外两种塑料袋的降解率只有25%.
作 者：田建民 TIAN Jian-min 作者单位：太原理工大学,矿业工程学院,山西,太原,030024刊 名：太原理工大学学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY年，卷(期)：37(6)分类号：X705关键词：塑料袋 生物降解 生活垃圾
生物降解论文 篇6
关键词：新疆；棉花；降解膜；生长发育；产量
中图分类号：S562.048 文献标志码： A 文章编号：2095-3143（2015）02-0040-04
DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2015.02.009
Comparison Effect of Cotton Application of Reverte
Oxo-biodegradable Plastic
Pang Guozhu，Wang Jincai
（The Thirteenth Division Red Star Two Farm of Xinjiang Production and Construction Corps.， Hami 839000，china）
Abstract： Through the application of 3 kinds of Reverte Oxo-biodegradable Plastic and ordinary film comparison in cotton， and study its effect， influence on the growth and yield of cotton. The results showed that： the biodegradable film than ordinary film temperature increased， good heat insulation effect， good effect of cotton seedling， shorten the growth period of 1～3d， the influence of single boll weight， lint percentage and yield little difference.
Key words： Xinjiang； Cotton； Degradable film； Growth； Yield
0引言
新疆作为世界上重要的棉花种植区，棉花种植面积占农业种植面积的一半以上，棉田铺膜率达100%[1]。塑料地膜属于高分子化合物，极难降解，既不受微生物侵蚀，也不能自行分解，其降解周期一般为200～300年[2]，加之地膜与棉花茎秆、残茬和土壤混杂在一起，很难完全回收。随着地膜持续使用，土壤中的残膜量逐年增加，造成土壤结构破坏，阻碍作物根系对水肥的吸收和生长发育，降低土壤的肥力水平，最终导致土壤质量和作物产量下降[3]，给农业生态环境带来了严重的负面效应，因此，整治农业地膜污染刻不容缓[4]。生物降解膜在土壤中可被微生物或动植物体内的酶最终分解，对环境友好，可以从根本上解决农田残膜污染问题[5]。本试验通过对青岛康文生物塑料有限责任公司生产的三种不同配方乐卫地含氧生物降解地膜与普通地膜比较观察，研究不同配方生物降解膜对棉花生长发育及产量的影响，旨在探索解决残膜污染的有效途径。
1材料与方法
1.1试验材料
供试棉花品种为石科2号，供试地膜：一是山西迎太塑料有限公司生产的聚乙烯农用地面覆盖薄膜（普通白色地膜，CK）；二是山东青岛康文生物塑料有限责任公司生产的B、C、D三种配方类型的乐卫地含氧生物降解地膜。
1.2试验设计
试验于2014年在新疆生产建设兵团第十三师红星二场科技站试验田进行，共设4个处理，不设重复，随机排列。处理1、2、3分别为B、C、D型3种不同配方乐卫地含氧生物降解膜，处理4（CK）为普通白色地膜。各处理膜宽1.2 m，地膜厚度0.008 mm，小区面积707 m2，两膜区，一膜四行，行距配置为20+50+20+60 cm，平均株距为10.5 cm，密度为25.39万株/hm2。
1.3田间管理及测定项目
试验于4月20日机械播种，5月20日定苗，7月14日打顶，10月8日实收计产。生育期共滴水施肥12次，化调及病虫害防治4次。除试验处理外，其他田间管理同大田。
每小区连续选取20株有代表性的植株作调查观察株，调查收获株数、生育进程、主要农艺及产量性状。从4月21日至7月3日，每隔3～4天，在上午10：00对各处理5 cm和10 cm的土壤地温进行定点观测。采用Excel表格对数据进行统计分析。
2结果与分析
2.1收获密度
从表1可见，使用生物降解膜的棉花收获密度均超过对照，其中以处理2效果最好，收获密度为21.6万株/hm2，比对照提高24.4%，说明保苗效果好。
2.2各处理地温
从表1还可见，4月21日至7月3日调查期间，使用生物降解膜增温、保温效果比对照好，特别是10 cm地温，3个生物降解膜处理的地温总积累量均比对照高，其中处理1的地温总积累量比对照多81℃。
2.3生育进程
由表2可见，生物降解膜处理较对照出苗提前2～3 天，生育期缩短1～3 天。说明生物降解膜保温或增温效果好，有利于棉花生育进程提前。
2.4主要农艺性状
现蕾期以前，降解膜处理的棉花日生长量、出叶速度较普通膜处理快；初花期以后，普通膜处理的棉花生长加快，株高、叶龄数超过降解膜处理。各生育期果枝层数、蕾数基本相同，说明使用生物降解膜对棉花生长发育的影响与普通地膜相差不大（见表3）。
nlc202309031857
表3 各处理主要农艺性状比较
处理株高（cm）主茎叶龄数（片）果枝层数（个/株）现蕾期开花期吐絮期现蕾期开花期吐絮期开花期吐絮期116.774.081.07.115.216.07.511.0216.471.878.57.115.116.07.511.0316.670.078.07.114.515.57.010.54（CK）15.076.083.07.015.816.07.511.5
2.5产量性状
从表4可见，降解膜处理单铃重、衣分均低于普通膜处理。处理1、2单株铃数分别比对照少0.4、0.6个。降解膜处理1、3的皮棉产量较对照分别增产4.34%、12.98%，处理2的单铃重较对照减少0.4 g，皮棉产量较对照低3.51%。
3讨论
在新疆大面积覆膜栽培条件下，可降解地膜要在生产上广泛应用，首先必须满足大面积机械铺膜的性能要求，试验所选用3种配方类型乐卫地含氧生物降解膜机械铺设性能良好，与周明冬等的研究结果相同[6]。
研究结果表明，乐卫地含氧生物降解膜覆盖种植棉花增温、保温效果较普通地膜好，现蕾期以前，降解膜覆盖种植棉株生长较快，可有效促进棉花生长，缩短生育期1～3 d。乐卫地含氧生物降解可提高保苗率，但单铃重和衣分比普通白色地膜处理降低。
乐卫地含氧生物降解膜宽度为1.2 m，而大田生产用膜宽度为2.0 m，降解膜增温、增产及降解效果有待进一步试验验证。
参考文献
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[6] 周明冬，秦晓辉，韩咏香.降解膜对棉花生长及产量的影响[J].现代农业科技，2014（4）：17-19.
可生物降解塑料发展动向 篇7
随着塑料工业的迅速发展,当前世界塑料总产量已超过1.8亿t,但因废塑料难于降解,而成为环境垃圾。有资料表明,城市固体废弃物中塑料的质量分数已达10%以上,体积分数则在30%左右。发展可降解塑料能减少白色污染,有显著的经济效益和社会效益。
现生产降解塑料的主要国家有美国、意大利、德国、加拿大、日本、中国等。随着PLA等可生物降解塑料材料的应运而生,在原有聚乙烯等传统不可降解塑料制品中加入适量PLA等生物材料制成的塑料制品,既可部分实现生物降解,原有的力学性能又没有明显的改变。这一技术突破为解决废旧塑料制品污染找到了一条新途径,也为塑料价值链带来了新机遇。
生物塑料和普通塑料共混使用,在日本已经比较普遍。如丰田汽车公司的塑料零部件中,30%使用了可生物降解塑料,70%为传统塑料。这样既提高了塑料部件的可降解程度,成本增加又不是很大,市场接受起来也相对容易一些。日本处理塑料垃圾采用焚烧的方式,部分使用生物塑料无疑减少了CO2的排放量,对环境更加友好。
生物塑料的耐高温性能不好,很多生物塑料在50~55℃就会变形,其应用领域和适用范围因此受到很大限制。而且,生物塑料一般来说都很脆,抗冲击性能不好,难以在汽车零部件等对抗冲性要求较高的领域使用。进一步改善生物降解塑料产品性能,将其推广到电子产品,甚至是汽车材料领域,才能真正使生物塑料获得大规模推广应用。
美国普立万公司一直在为提高生物塑料的耐高温性能而努力。该公司推出了其开发的、改善了材料抗冲击性并可在100℃以上加工使用的可生物降解塑料技术。耐高温产品的推出,使生物塑料在家用塑料制品中大规模应用成为可能。普立万与全球领先的家居和办公室配件供应商合作推出了可生物降解的浴室配件。该产品采用了普立万开发的PHBV(聚羟基丁酸戊酸共聚酯)为基础的生物降解材料,让牙刷架、浴室盒、浴室杯、定量分配器、肥皂盒及浴桶等在保留原有设计和质量标准的情况下更加环保。
日本东丽公司与昭和公司合作开发的以PLA和纤维素为主要成分的PLA生物塑料耐热温度已经达到150℃,美国伊士曼公司和日本昭和高分子公司推出的生物法聚丁二酸丁二酯已经可以作为家用电器和电子仪器等的包装材料。总之,可生物降解塑料的耐高温性能正在逐步提升,进一步推广应用的条件正在逐步成熟。
据美国BCC研究公司发表的预测报告,认为到2012年全球可生物降解聚合物市场年均增长率为17.3%。2007年需求量达到了5.41亿磅(24.5万t),预计到2012年市场将增加到超过12亿磅(54.6万t)。相对较高和缺乏有效混配的基础设施。北美的可生物降解聚合物市场不如欧洲和亚洲发展得快,但具有发展潜力。美国市场的主要驱动力是环境法规的推动,最近用可生物降解聚合物代替石油基塑料正在增长。
在推广的初始阶段,生物塑料很需要政策的支持。一些发达国家采用的办法是,政府出面规定商场和超市必须采用经PLA等生物料料改性、具有可降解性能的塑料薄膜制品,这样的政府调节行为,对推动生物塑料产业和相关的传统塑料/生物塑料改性及其制品加工业的良性发展是十分必要的。
为积极推动生物降解塑料、践行绿色奥运的理念,奥运会期间,在使用一次性餐具场所将全部使用生物降解塑料餐具,以解决传统塑料袋造成的环境污染问题。这无疑将是我国大力推广生物塑料应用的一个良好开端。
目前在我国国标GB/T19277-2003中已明确体现这一理念。生物降解塑料所采用的原料大部分采用可再生的资源,使塑料制品的对有限的石油资源的依赖度大大降低,发展前景十分看好。
生物法合成新型高分子材料生物聚酯已经成为一个新材料生产、开发和应用的方向,该领域的研究充分体现了多领域、跨行业的现代科技产业特点,生物聚酯将在人类的环境保护、医药保健等方面发挥重要作用。生物聚酯PHA作为一种新型高分子材料,可以通过微生物的大规模发酵制得,它具有类似于塑料的物化特性并具有可控的生物可降解性。美国宝洁公司已经开发成功了作为缝合线、无纺布和各种包装用材料的PHA系列产品及其多种应用。但该材料的造价较高,限制其获得广泛应用。目前PHA在全球的研究主要集中在利用其生物可降解性、生物相容性等特征,开发在医疗、制药、电子等高附加值领域的用途。另外,农用药物或生长促进剂的缓释材料、光电材料等都在开发当中。由于PHA分子结构的多样性强,因此其性能也具有很强的可变性和可操作性,通过基因工程技术可开发各种超强微生物合成平台,科学家现已通过该技术得到多达150种以上的PHA单体,各种单体的不同结构为PHA材料带来许多功能及应用。另一方面,生物聚酯单体的应用也在不断深入。目前生物聚酯的可变手性单体已经被看作是手性药物制备的良好工具,广泛用于化学药品合成的结构元件,例如抗生素、维生素等,已有部分单体作为临床药物被采用。
化学合成型材料大多是在分子结构中引入酯基结构的脂肪族聚酯,在自然界中其酯基易被微生物或酶分解。目前已开发的主要产品有聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚丁烯琥珀酸酯(PBS)等。PLA是以乳酸为单体聚合而成,但由于乳酸提取、精制较为困难,生产成本较高。聚乳酸溶点为175℃,具有良好的生物相容性,在医用领域大有用途。聚己内酯熔点为63℃,热塑性好,易成型加工。由于聚己内酯和其他广泛使用的合成树脂具有良好的相容性,故可赋予共混物生物降解性,从而提高其应用价值。它可用作手术缝合线、医疗器材和食品包装材料。聚丁烯琥珀酸酯熔点为114℃,应用开发的产品有发泡材料,可用作家用电器和电子仪器包装材料等。
兼具光、生物双降解功能的光-生物降解塑料是目前主要的开发方向之一。其制备方法是采用在通用高分子材料(如PE)中添加光敏剂、自动氧化剂、抗氧剂和作为微生物培养基的生物降解助剂等的添加剂技术途径。光-生物降解塑料可分为淀粉型和非淀粉型两种类型,目前采用淀粉作为生物降解助剂的技术比较普遍。国外开发的主要产品有加拿大SLLawvennee淀粉公司与瑞士ROX-XO公司合作开发的EcosterPlus、美国Ampact公司开发的PolygradeⅢ、美国ADM公司的Polyclean,以及其他的欧美公司产品。但由于该技术主要采用光敏剂母料和由淀粉母料混配的复合材料,完全降解性等效果不够理想,为此尚处研发阶段。
英国在超市已开始大量推广使用淀粉系列和聚乳酸系列可生物降解的购物袋及食品包装袋,每年消费量可达220亿个。意大利是世界上最早进行生物降解塑料产业化的国家之一,有多家研究机构。生产企业中最著名的是Novamont公司,主要生产淀粉系列的生物降解塑料,2006年生产能力为4万t,应用于多领域的降解塑料制品。
德国的巴斯夫、拜耳以及瑞士的汽巴精化等公司,也得益于政府和民间环保组织的支持,生物降解塑料的产业化进展迅速,产品包括淀粉、聚酯、PVA系列等。巴斯夫公司已推出商品名为‘Ecoflex’的生物降解塑料,产业化能力为3万t/a,其工厂建立在德国东部。荷兰RodenburgBiopolymers公司正成为欧洲生物降解塑料市场的新龙头,其生产能力已达到4万t/a,并于2005年后在法国、北美和亚洲开设更多的新工厂,其产业化目标之一是将产品价格降到与普通塑料一样。
美国作为一个技术发达的工业大国,在对于可持续发展经济具有重要意义的生物降解塑料的开发上更是不甘落后,目前设有开发机构和生产企业十几家,其中GargillDow公司是目前世界上生物降解塑料产业化生产规模最大的公司,主要生产聚乳酸系列的生物降解塑料,已建成14万t/a规模的生产能力,并和意大利Amprica公司、中国台湾威猛工业公司(WMI)共同合作,大举推进聚乳酸在包装等方面的应用。该公司投资30亿美元进行聚乳酸和聚交酯的大规模产业化。美国Warner-Lawbert公司建立了一套4.5万t/a的工业化生产线,大规模生产淀粉系列的生物降解塑料,并有3个同等规模的生产线在建设中。美国杜邦公司和伊士曼公司生产聚酯系列生物降解塑料,商品名分别为‘Biomax’和‘Faster-Bio’,主要用于家用垃圾袋、餐具、尿布、花盆、农用薄膜等,其产品正在德国市场推广。
较低的生产费用和高涨的油价,使聚乳酸生产的经济性将会更好。NatureWorks公司以谷物为原料生产的这种聚合物,可使现在使用PET聚酯的某些应用领域费用得到节约。位于布鲁塞尔的该公司聚乳酸(PLA)的生产费用已下降68%,聚乳酸现在可与PET相竞争,在今后几年内,将可与聚苯乙烯(PS)相竞争。据该公司称,聚苯乙烯价格波动性很大,当今在许多地区聚乳酸已可与PS相竞争。比利时零售商Delhaize已开始使用NatureWorks公司PLA,用于新鲜生莱箱,并正在评价将这种材料用于粮食、水果和蔬菜包装。
纺织材料生物降解标准探讨 篇8
关键词：生物降解,评价方法,纺织材料,标准
随着人口的增长和需求的提高,纺织品的消耗量迅速增加。大量的废旧纺织品却没有得到很好的处理和利用,既造成了资源的浪费,又污染了环境。而在纺织材料回收利用技术尚不成熟的今天,采用可生物降解的纺织材料从而把其对环境的污染降到最低已成为解决废弃纺织材料最有效的方法之一。
目前,可生物降解性研究大多集中于塑料材料,并且已经建立了比较完善的可生物降解性评价方法与标准体系,但对于纺织材料的可生物降解性评价,还缺乏系统的研究,且无相关标准。本文目的在于分析现有可生物降解性评价标准及评价方法的基础上,为建立和完善可降解纺织品的测试和评价标准提供参考,同时也可促进我国可降解纺织材料的生产和推广。
1 可生物降解性评价方法
20世纪90年代末,美国、日本等国开始研究不同环境下高分子材料的降解性能,美国材料与试验协会(ASTM)和国际标准化组织(ISO)颁布了一系列针对塑料材料可生物降解性的评价标准,我国也参考国际标准,发布了国家标准。
1.1 活性污泥法
活性污泥主要来源于废水,系用富含微生物的活性污泥进行可降解性试验的方法,由于活性污泥的生物活性高,通过控制试验条件,其结果重现性好,也能较好地反映材料在自然条件下的分解情况,是常用的评价高分子材料生物降解性的方法。
1.2 土壤分解法
土壤分解法包括自然土埋法和实验室土埋法。自然土埋法是将材料埋于自然环境的土壤中,由存在于自然界的微生物分解的试验方法。自然土埋法能很好的反映在自然条件下的分解情况,但试验结果会因土质、季节的不同而变化,重现性较差。实验室土埋法则克服了上述缺点,通过控制试验土壤规格以及培养条件,可使试验结果具有较好的重现性。
1.3 好氧堆肥法
堆肥是利用各种植物残体(秸秆、杂草、树叶、泥炭、垃圾以及其它废弃物等)为主要原料,混合人畜粪尿,经堆制、腐解而成的有机肥料,可直接将材料埋到堆肥培养土中进行微生物分解试验,堆肥法表征可生物降解性的指标与活性污泥法相同,通过测定材料好氧生物降解过程中产生的CO2的量,与材料中总有机碳在理论上可以产生的最大的CO2的量作比较,来评价材料的生物降解性。
1.4 特定微生物或酶作用法
利用特定的微生物或酶对材料进行微生物分解的加速试验,可采用的分析手段包括:残量测定法、显微镜观察法、物性测试、相对分子质量降低度测定、生成产物的定量测定等。该法降解速度快,适用于降解产物的测定和解释降解机理,但由于酶对温度、p H值等的变化很敏感,轻微的变化就足以使酶失去活性,因此该法对试验条件的控制要求很高,且试验结果不能反映材料在自然界的实际生物降解性。
1.5 厌氧试验
厌氧试验用来了解材料在厌氧微生物作用下的降解情况。根据材料产生的降解产生CO2和CH4,与材料中总有机碳比较,来评估材料的生物降解性。
2 生物降解评价方法比较
现有的生物降解评价方法各有优缺点,可以从模拟自然降解环境、试验周期、结果的重现性、准确性和试验过程易操作性等方面来比较各种生物降解评价方法的优缺点。
2.1 生物降解评价方法比较的依据
2.1.1 模拟自然降解环境
为了客观地反映材料在自然界生物降解的实际情况,试验评价方法应能较好模拟自然降解环境。
2.1.2 周期
自然条件下生物降解试验,虽能反映自然界中材料降解的实际情况,但试验周期较长,往往需要数月乃至数年;而实验室条件下的各种生物降解试验,是在受控的适宜条件下进行的,试验周期相对较短。
2.1.3 结果重现性
自然条件下生物降解试验因自然环境和条件的不同重现性较差;实验室条件下通过严格控制试验条件和接种物来源,可以使试验结果有较好的重复性。
2.1.4 准确性
生物降解试验要能定量测出材料在规定降解环境下生物降解的速度和程度。一般而言,实验室生物降解试验方法通过测定材料在好氧生物降解过程中的耗氧量或释放出的CO2量或厌氧生物产生CO2和CH4可较准确的反映材料生物降解的速度和程度。
2.1.5 易操作性
即该方法不需要使用特殊的仪器,操作简便,方法易行、安全快速。
2.2 生物降解评价方法比较的结果
各种生物降解评价方法的比较情况详见表1所示。
由表1可以看出,好氧堆肥法能较好地模拟自然降解环境,定量测定生物降解的速度和程度,从而反映材料在自然界中生物降解的实际情况,且此试验方法操作较简易,测试周期短,试验结果的重现性也很好,因此可在实际生产中广泛使用。
3 结语与展望
可降解纺织材料的应用前景十分广阔,通过分析比较现有的国内外生物降解标准方法,结合纺织材料特点,可逐步建立我国纺织材料可生物降解性的评价体系,对于生产企业对该类产品的质量控制,以及质检部门对该类产品进行检验监管都具有重要意义。
参考文献
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生物降解论文 篇9
生物降解高分子材料是指在一定条件下, 一定时间内, 能被自然界中的微生物 (细菌、霉菌、藻类等) 在酶或生物化学作用下发生降解的高分子材料。生物降解高分子材料在包装材料[2]、药物缓释体系[3]、医疗器材等领域有着广阔的应用前景, 因此开发生物降解高分子材料已成为世界范围的研究热点。
1 生物降解机理
生物降解[4]需要通过一些诸如溶剂化作用、水解、酶反应等作用来完成。生物降解作用包括生物化学作用和生物物理作用。生物化学作用[5]表现为, 微生物在高分子材料表面分泌酶, 高分子材料在酶的作用下, 通过水解和氧化等反应将高分子断裂成低分子量的碎片 (分子量<500) , 最终形成CO2和H2O。生物物理作用表现为, 微生物侵入聚合物后, 微生物细胞在聚合物中不断成长、增大, 致使高分子材料发生物理破坏。通过以上机理可以看出, 生物降解并不是一个简单的过程, 而是一个包含有生物化学、生物物理共同作用, 相互促进的复杂科学过程[6]。
2 生物降解高分子材料的分类
根据降解机理和破坏形式的不同, 生物降解高分子材料可分为完全生物降解高分子材料, 如聚羟基丁酸酯、聚环己内酯等, 和生物破坏高分子材料, 如聚烯烃、添加淀粉的聚苯乙烯等;根据生产方法的不同, 其可分为天然高分子材料、微生物合成高分子材料、化学合成高分子材料和掺混型高分子材料[7]。
2.1 天然高分子材料
常见的天然高分子材料有淀粉、纤维素和甲壳质等, 这类材料的主要特点是:自然储量巨大, 能够被生物降解的较为完全, 但分子中含有大量羟基, 易形成氢键, 难以溶解熔融, 无法满足高分子材料的加工性能要求[8]。
淀粉是目前广泛使用的一种生物降解高分子材料。何乐等[9]用60 Co-γ射线对玉米淀粉进行辐射改性处理, 制备出力学性能良好的生物可降解材料。Mater-Bi是一种淀粉及淀粉衍生物含量达60%的具有良好生物降解性的树脂, 可用模压、吹塑、挤出等成型方法成型, 由该材料制作的农用地膜在发达国家逐渐成为聚乙烯薄膜的替代品[10], 但在我国关注较少。
植物纤维利用率不高的主要原因是纤维素的分子中含有大量的羟基, 易形成氢键, 导致纤维素不溶于水及一般有机溶剂, 很难获得其流体状态。日本四国工业试验所以纤维素和壳聚糖为主要原料开发出一种新型高分子材料, 并由这种材料制造出生物降解薄膜、发泡塑料、无纺布等产品[11,12], 这些产品已近乎实用化。
由于壳聚糖具有较好的生物相容性, 它在医学领域有着广泛的应用, 制得了一系列的医用产品如人造皮肤、抗血凝材料、缓释药膜等。Li等[13]通过对1%壳聚糖-Ag+-Zn2+的混合溶液流延成膜的研究, 发现在温度为333K的碱液中把膜中的Ag+和Zn2+还原为纳米Ag和ZnO后, 该混合膜能有效抑制多种细菌的生长, 可用作食品保鲜、人造皮肤、伤口包扎等的材料。
2.2 微生物合成高分子材料
许多微生物能通过生命活动合成高分子, 由这种方法合成出的高分子主要包括两类:微生物多糖[14]和微生物聚酯[15], 它们都能在环境中被完全分解为水和二氧化碳。因为微生物聚酯具有热塑性、易加工成型、生物相容性好和耐紫外辐射等优点, 科研工作者对它的研究较多, 研究主要集中在P (3HB) 、超高分子量P (3HB) 和P (3HB) /HA共聚物等[16]。英国ICI公司以葡萄糖和丙酸为碳源, 利用好氧产碱菌 (A.eutrophus) 合成3HB与3HV的共聚物P (3HB-co-3HV) [17], 开发出Biopol产品[18], 这种材料可制成薄膜、纸张涂膜, 或发泡成型用作食品包装和容器等, 德国已开始采用该材料制作容器来试用。
2.3 化学合成高分子材料
利用化学法合成生物降解高分子材料, 可以改变脂肪族聚酯的化学结构来制得力学性能优良的生物降解材料, 如利用扩链反应使聚酯链长增长, 分子量增大, 以提高材料的使用强度。总之, 化学合成法可以帮助我们获得物理性能可控的生物降解高分子材料[19]。
聚乳酸 (PLA) 是化学合成生物降解高分子材料的典例, 也是研究开发最活跃的材料之一, 在自然条件下生物降解产生二氧化碳和水, 但PLA耐热性能差, 弹性模量和拉伸强度不高, 加工困难等缺点缩小了它的应用范围, 需要对其改性。李明珠等[20]利用纳米纤维素 (CNFs) 对PLA进行增强改性, 通过浸渍法制备的CNFs/PLA复合材料力学性能和热稳定性显著提高, 弥补了PLA的不足。
2.4 掺混型高分子材料
所谓掺混型生物降解高分子材料主要是指将可降解的物质或可促进降解的物质加入到普通高分子材料中, 进行共混或共聚。可降解的物质多采用淀粉、纤维素[21]、壳聚糖等天然高分子。
谢飞等[22]通过溶液共混的方法, 用PPC和改性淀粉对PLA改性, 制备出具有韧性改善的PLA/PPC/改性淀粉共混薄膜。陈学思等[23]以辛酸亚锡为催化剂, 使ε-己内酯在淀粉表面进行开环接枝聚合反应, 得到淀粉接枝聚ε-己内酯, 该共聚物可用作淀粉-PCL共聚物添加剂, 能够有效增强该塑料的力学性能、抗水性和抗酸性, 提高它的应用价值。
3 生物降解能力评价方法
测定高分子材料生物降解能力的主要依据是材料分解前后物理性质和化学性质的变化, 以及在材料基质上微生物的活性等。世界各国对高分子材料生物降解能力的测定方法各有不同, 归纳起来主要有以下3种常用方法: (1) 土壤分解法, 是利用存在于自然界中的微生物来进行降解的试验方法, 优点是能实际反映自然界中材料的分解情况, 缺点是试验周期长且试验结果会因土质、季节的不同而变化, 重现性较差[24]; (2) 微生物试验或酶解试验法, 此法是利用特定的微生物或酶对材料进行微生物分解的加速试验, 由于此法是自然条件的简化模型, 很多影响因素未被考虑, 不能反映样品在自然环境中发生降解的实际情况, 所以此法必须和其他试验方法同时进行, 以便验证试验结果[25]; (3) 堆肥法, 是近年兴起的一种测定高分子材料生物降解能力的方法, 包括好氧堆肥法和厌氧堆肥法[26]。目前, 堆肥法已成为美欧、日本等国评价高分子材料生物降解能力的主要方法[27], 原因在于它能够较为真实地模拟高分子材料在自然环境中的降解情况[28], 并且实验设备相对简单、便宜。堆肥是混合物被微生物分解后得到的有机土壤调节剂, 该混合物主要由植物残余组成, 有时也含有一些有机材料和一定的无机物, 不同条件产生的堆肥对材料的生物降解速率及最终生物降解百分率都有着较大的影响。
4 结语
自主技术生物降解薄膜产业化 篇10
专家指出, 该项技术突破了PHA产业化中规模生产的高成本与产品性能单一的技术瓶颈, 实现了产品低成本、性能多样化、生产连续稳定性的目标。该PHA生产的发酵工艺达国际先进水平, 提取工艺达到国际领先水平。
以可再生的农业产品或农用废弃物为原材料, 生产可降解的聚合物产品, 已成为全球塑料行业的发展趋势。意可曼于2005年开始研究以农产品为原料生产PHA的技术, 并应用工业基因工程技术 (IGE) , 走出了一条独具特色的新工艺路线:直接在微生物体内合成生物高分子材料, 使PHA材料与聚丙烯类似, 具有生物兼容性、可降解性和压电性, 并有良好的使用性能和注塑、挤片、吹塑、拉丝、模压等加工性能。
据介绍, 应用该技术可制备出适合产业化的稳定、高效的菌株, 提高碳源的转化率, 并通过构造不同的基因组合, 控制不同的碳源比, 生产出具有不同性能的PHA共聚物, 从而解决了产品性能单一的问题。同时, 湿法一步提取法的应用, 大大降低了提取成本, 提高了产品纯度。使用共混改性技术, 提高了PHA的热稳定性和加工性能, 解决了PHA材料加工区间窄、热稳定性差等缺陷, 实现了PHA材料在多个领域的加工应用。
生物降解论文 篇11
【关键词】共代谢；难降解污染物；关键酶；SBMR
共代谢作用是环境污染物降解的一种重要方式。据报道，环境中能够完全矿化污染物的降解菌占总降解菌的数量还不到 10%，大多数微生物是通过共代谢作用来降解污染物的。随着工农业的迅速发展，越来越多的有机物被合成，其中难降解有机物占了很大比例，因此难降解有机物的治理研究已引起国内外有关专家的高度重视，是目前水污染防治研究的热点与难点。
1.共代谢作用的机理和特点
共代谢现象最早由 Leadbetter 和 Foster 等[2]于1959 年报道，他们研究发现Pseudomonas methanica（甲烷假单胞菌）能够在外加甲烷情况下氧化乙烷、丙烷、丁烷，而乙烷、丙烷及丁烷三者均不能作为Pseudomonas methanica的唯一碳源支持其生长。对此现象 Leadbetter 和 Foster以共氧化（Co-oxidation）来描述，将其定义为在生长基质存在的情况下，微生物对非生长基质的氧化，其中甲烷为生长基质，乙烷、丙烷等为非生长基质。后来，Jensen扩展了其内涵，提出共代谢（Co-metabolism）的概念。他认为在生长基质存在的情况下，微生物对非生长基质的转化无论是氧化作用还是还原作用都是共代谢作用；当生长基质被完全消耗时，处于内源呼吸状态的休眠细胞对非生长基质的转化也是共代谢作用。现在，一般将其定义为只有在初级能源物质存在时才能进行的有机化合物的生物降解过程。初级能源物质或是由外界提供，或是微生物细胞内储存的。微生物对有机化合物的转化并不能为细胞提供碳源及能量，所需碳源及能量来源于对初级基质的代谢。
共代谢过程的主要特点可以概括为：（1）微生物首先利用易于摄取的生长基质作为一级基质，维持自身细胞的生长；（2）难降解性污染物作为二级基质被微生物降解；（3）一级基质和二级基质之间对发挥降解作用的关键酶存在竞争现象；（4）污染物共代谢的中间产物不能作为营养被同化成细胞质，有些会抑制关键酶的活性，甚至对微生物有毒害作用；（5）共代谢是需能反应，能量主要来自生长基质的产能代谢，当生长基质被完全消耗时，能量来源于细胞自身储存能量物质，如PHB。从共代谢过程的机理和特点可以看出，关键酶的诱导及其活性的维持、生长基质与目标污染物之间的竞争抑制、目标污染物及其中间降解产物对微生物的毒性作用将是影响共代谢过程的关键性因素。
2.微生物共代谢作用的应用与工艺研究
2.1共代谢作用的应用
通过共代谢作用来转化或降解烯烃、卤代炔烃、卤代脂肪烃等难降解物质已经得到了广泛的研究。李莹等人将共代谢应用于循环移动载体生物反应器（MBBR）处理格列奇特制药废水，结果投加葡萄糖所诱导产生的共代谢作用可显著改善格列奇特制药废水的好氧处理效果。上海金山联合环境工程公司与吉林大学地探学院合作完成的上海优西比特种化工有限公司是一项采用共代谢机理完成难生物降解化工污水处理的工程，至今已稳定运行了5年多。该实践工程生活污水的共代谢效率可使难生物降解工业污水的CODCr去除率提升21.5%。而葡萄糖的共代谢效率可使CODCr去除率提升38.5%，具有明显的降解效果。从该工程实践经验可见，共代谢机理不仅仅是停留在实验室研究，而是已进入工程的应用，是处理难降解有机污染物的有效且实用的方法。
2.2共代谢作用的工艺研究
很多研究发现，厌氧生物工艺可把氯代有机物脱氯生成无毒性化合物，如乙烯、CO2，但发现四氯乙烯（FCE）、三氯乙烯（TCE）在厌氧条件下仅仅是部分脱氯，很不彻底，导致二氯乙烯（DCE）、氯乙烯 （VC）的浓度增加。
好氧条件下，具有共代谢氯代化合物功能的微生物有很多种，研究中主要选用苯酚氧化菌群、甲烷营养菌群、丙烯氧化菌以及硝化细菌等，它们都具有很强的代谢能力以及对污染物的逆抗性。在诱导此类微生物生成关键酶进行催化分解污染物时，一般需要投加特异性的底物，例如苯酚、甲烷、丙烯、丙烷等。由于它们是气体，具有很低的水溶性，同时就苯酚而言，虽具有可降解性，但它是一种危险性物质，所以在污水处理项目中，选择诱导性的生长基质，一定要综合考虑。通常葡萄糖、乙醇、乙酸盐以及铵盐等易代谢的小分子化合物是考虑选择的诱导物质。
生物膜具有活性污泥系统所没有的独特生长环境。研究表明：当生物膜达到一定厚度时，生长基质的利用速率将明显低于活性污泥系统微生物对生长基质的利用速率，这样有利于延长生长基质对关键酶活性维持作用，同时还可以降低生长基质与目标污染物之间的竞争作用，提高膜反应器内关键酶降解目标污染物的效率；同时膜内低氧环境有利于微生物具有较高的内源呼吸率，这有助于促进细胞能源物质的形成；生物膜环境还有利于菌株之间发生遗传信息的交流，交配生成新代谢能力的变种，提高降解目标污染物的效率。
由于目标污染物利用活性污泥法或填充床式生物膜处理时，生长基质与污染物质同时存在会引起对关键酶的竞争作用，在运行管理上会出现很多问题。在实际运行时，通常控制水力停留时间。所以，一种新型复合式生物膜反应器，即在序批式活性污泥反应器中引入生物膜。国内的应用主要集中在工业废水的处理上，国外的研究主要集中在有毒、难降解有机物的处理上。序批式生物膜反应器（SBMR）可以完全把生物膜的营养代谢与共代谢分离，解决了生长基质与污染物之间的竞争作用，同时增加了运行反应器的灵活性，该工艺具有投资少和操作简单等特点。随着SBMR工艺优越性的日益绽现以及它在难降解有机物处理方面的推广，将产生良好的环境效益和社会效益，其应用前景也十分广阔。
3.共代谢的研究前景
现代社会的发展使各种合成有机污染物逐渐增多，环境污染日益加重，利用微生物的代谢净化环境已经成为一种趋势。难降解是相对的，改变环境状况，本来难降解的化合物就变得易降解了。所以，选择合适的生物降解环境、开发新的生物降解技术、培养和驯化适宜的生物种群和生物酶、分析化合物的降解途径和生物降解规律，是研究有机物生物降解的必然选择。
共代谢作为一种代谢机制广泛存在于共基质的生物降解过程中，深入研究共代谢不仅有助于我们更加准确地认识环境中存在共代谢情况下物质的生物降解，而且为我们寻求难降解有机物生物降解技术提供了新的思路。相关研究证明微生物共代谢在不同的工艺中已取得了良好的效果，随着现代生物技术的发展和基因工程菌的应用，将会给微生物的共代谢带来更大的突破。 [科]
【参考文献】
[1]孙雪景，王静，焦岩，等.微生物共代谢作用的研究与应用[J].农业与技术，2010，8（4）：57-60.
饲料呕吐毒素生物降解研究进展 篇12
呕吐毒素对人和动物均有很强的毒性, 12, 13-环氧基团是呕吐毒素的毒性结构 (图1) , 能引起人和动物呕吐、腹泻、皮肤刺激、拒食、神经紊乱、流产、死胎等 (Desjardins, 2006;Eriksen et al., 2004;Morgavi and Riley, 2007) , 猪是对呕吐毒素最敏感的动物, 家禽次之, 反刍动物由于瘤胃微生物的作用, 耐受力最强。对生长肥育猪而言, 含有14ppm呕吐毒素的饲料饲喂后10~20min即会出现呕吐、不正常的焦虑和磨牙现象。在含毒量10ppm以上即完全拒食 (Trenholm等, 1994;Williams等, 1988) 。
呕吐毒素具有很强的细胞毒性, 它对于原核细胞、真核细胞、植物细胞、肿瘤细胞等均具有明显的毒性作用。它对于生长较快的细胞如胃肠道黏膜细胞、淋巴细胞、胸腺细胞、脾细胞、骨髓造血细胞等均有损伤作用, 呕吐毒素可能通过3种不同的方式对原核细胞产生毒性作用: (1) 通过渗透磷脂双层, 作用于亚细胞水平; (2) 通过与细胞膜相互作用; (3) 通过自由基介导的脂质过氧化作用。
呕吐毒素是一种免疫抑制剂, 它能抑制蛋白质和DNA、RNA的合成, 抑制线粒体的功能, 阻止细胞分裂和膜的功能, 呕吐毒素通过其倍半萜烯结构抑制转录、翻译过程, 产生免疫抑制作用。 (Azcona-Olivera et al., 1995;Nelson, 2002;Eriksen et al., 2004;Pestka and Smolinski, 2005;Rocha et al., 2005;Stark, 2005;Zhou et al., 2005a)
1 呕吐毒素的污染状况
1.1 世界范围内的污染情况
据报道, 全球生产的饲料中至少25%污染了已知的霉菌毒素。联合国粮农组织估算, 全世界由于霉菌毒素污染造成的损失, 每年达数千亿美元, 而对人畜引起的危害更是难以统计。 (计成2008, 2009) 。
BIOMIN Gmb H与新加坡罗马实验室 (Romer Labs Singapore Pte Ltd.) 从2007年10月至2008年9月合作实施霉菌毒素普查项目, 共进行了5192项对农业和畜牧业来说最重要的几种霉菌毒素--黄曲霉毒素B1 (AFB1) 、玉米赤霉烯酮 (ZON) 、呕吐毒素 (DON) 、烟曲霉毒素B1 (FUM) 和赭曲霉毒素A (OTA) 的检测。分析的样品有玉米、小麦、大米, 有加工副产物如豆粕、玉米蛋白粉、DDGS, 以及一些草料如秸秆、青贮和全价料, 总数为1086份。结果显示, 所有的检测样品中, Af B1、ZON、DON、FUM和OTA的阳性污染率分别为31%、46%、54%、54%和19%。所分析样品的50%来源于北亚区域, 而且大多数来源于中国大陆。与上年度相似, 北亚区样品中DON的发生率非常高, 76%的样品呈阳性 (平均含量873ppb) 。本次普查所发现的最高DON含量 (32893ppb) 样品为来源于中国的全价料样品。 (DI Ines Rodrigues.2009)
值得我们关注的是, 近年来, 玉米作为原料发酵酒精的用量越来越大, 随之产生的大量的副产品蒸馏干燥玉米酒糟 (DDGS) , 也正在被普遍的应用到饲料中, 然而, 霉菌毒素污染成为使用DDGS的巨大障碍, 这是因为酒精发酵的过程不但不会破坏霉菌毒素, 最终的DDGS反而会使霉菌毒素浓缩2~3倍。 (Zhou, 2007, 内部资料)
1.2 中国呕吐毒素污染现状:
农业部饲料质量监督检验测试中心 (成都) 2008年从全国七大区域中选择一些有代表性的省份 (辽宁, 河北, 河南、湖南, 广东, 福建、江西、山东, 四川、贵州以及陕西) 的饲料和养殖企业采集了7种主要饲料原料 (玉米、豆粕、菜粕、棉粕、小麦、小麦麸、鱼粉) 及2种主要配合饲料, 共计1018个样品。呕吐毒素平均检出率为95.8%, 超标率呈现北高南低的趋势, 平均为18.7%。
注:呕吐毒素的判定规则为:配合饲料采用我国国家标准猪配合料≤1 mg/kg, 家禽配合料≤5 mg/kg判定;玉米、小麦参照我国卫生部颁布的人食用的玉米、小麦限量标准≤1 mg/kg判定。
国家粮食局标准检测中心2009年6月对河南、湖北两省13个地市的小麦400份样本检测。黄曲霉毒素检出率18.3%, 未超标。呕吐毒素检出率46%, 其中16.2%超标, 玉米赤霉烯酮检出率37.1%, 其中12.4%超标。
2 呕吐毒素的生物降解
目前为止, 没有更有效的方法解决霉菌毒素污染的问题, 常用的脱毒方法是将污染的饲料原料按照比例稀释或向饲料中添加霉菌毒素吸附剂 (沸石或者膨润土) 。但是这些方法都存在着各自的缺陷。稀释法容易造成二次污染, 吸附法的缺点是吸附剂没有选择性, 而且对营养物质的吸附要大于霉菌毒素。通常, 吸附方法对那些具有极性基团并且其极性基团处于适当位置, 很容易被吸附的霉菌毒素有效 (黄曲霉毒素) 。但是, 很多毒素比如单端孢菌霉烯毒素 (呕吐毒素、T-2毒素等) 、玉米赤霉烯酮和赭曲霉毒素等, 不能被完全吸附。此外, 吸附脱毒的效率很大程度上取决于环境p H值。
生物降解由于其有效性、针对性和环境友好性, 将是未来霉菌毒素脱毒的一种趋势。酶解脱毒是控制饲料霉菌毒素风险的有效方法, 可以解除很多不能被吸附脱毒的霉菌毒素。通过使用酶或者活菌 (产生脱毒的酶) 来改变毒素的结构, 将毒素转化成为对动物无毒的物质。
目前, 有关黄曲霉毒素生物降解的研究相对较多。刘大岭, 姚冬生等人1997年发现从真菌假密环菌 (Armillariella tabescens) 中提取的粗酶液可使样品中的黄曲霉毒素含量减少80%。证明了起解毒作用的是一种胞内酶, 该酶催化温度20~30℃, 解毒后产物无毒, Km值为2.16×10-6mol/L。随后, 他们从该真菌的菌丝提取物中分离纯化出此解毒酶团, 克隆得到其基因序列并成功转化到毕赤酵母表达系统中, 还对该酶的固定化技术进行了研究。
计成的研究小组2006年开始应用香豆素从动物粪便、发霉粮食和饲料、土壤等54个样品中得到199株细菌, 再用黄曲霉毒作底物进一步筛选, 得到26株有降解活力的菌株, 对其中降解活性大于75%的9株菌进行形态学观察和16Sr DNA鉴定。进一步研究发现一种能够降解黄曲霉毒素的新型活性蛋白-黏细菌黄曲霉毒素解毒酶, 并证明是一种胞外酶。目前, 黄曲霉毒素生物降解的研究还存在诸多需要解决的问题, 如酶解后产物的化学结构还不明了, 无法定性黄曲霉毒素解毒酶的解毒效率, 生物发酵法生产的解毒酶的活性不高等问题。微生物降解呕吐毒素早在1960's被发现 (Horvath and Varga, 1961) , 此后, 从动物肠道、土壤和植物等不同来源得到的的微生物混合物被证明能够降解霉菌毒素 (Yoshizawa et al., 1983;Kiessling et al., 1984;Swanson et al., 1988;Beeton and Bull, 1989;Heetal., 1992;Kollarcziketal., 1994;Matsushimaet al., 1996;Volkl et al., 2004) 。Zhou (2007) 总结了历年来所有能够降解呕吐毒素的微生物种类 (表2) 。
呕吐毒素DON可以被微生物降解成毒性很低的化合物, 12, 13-环氧基团是呕吐毒素的毒性结构, 去除这种环氧基团就能显著降低其毒性, 比如DON就可以降解为DOM-1 (图3, 图4) 。Yoshizawa等在小鼠的尿液和粪便中发现, 呕吐毒素的环氧基团在酶的作用下发生去环氧化反应, 生成二烯。但是此项研究进展一直是很艰难的, 原因是很少有人分离出具备解毒活性的单独菌株。Binder等在2000年提纯出能够将呕吐毒素的环氧结构进行生物转化的细菌品系, 他们从瘤胃内容物中分离到能够将呕吐毒素进行转化脱毒的混合活菌群, 进一步分离出所需要的菌株, 命名为BBSH797。但是据后来Zhou等对该产品的评价表明 (内部资料) , 该产品的解毒作用不理想, 原因可能是因为微生物来源于瘤胃, 不适合于在家禽和猪的肠道中生长。最近Zhou等改进分离方法, 再次确认呕吐毒素可以被家禽肠道微生物所降解 (Gong et al.2003;Zhou et al.2005b) , 并成功分离到能够降解呕吐毒素的菌株。近几年, 分离能够降解呕吐毒素的微生物细胞或者酶引起了科学家的兴趣, 关舒等 (2009) 从catfish的肠道内分离到降解呕吐毒素的菌株C133, 该菌株在低温环境4~25°C下活性最高, 活性最适p H范围是4.5~10.4。Hai等 (2010) 采用常规分离和PCR-DGGE相结合的方法, 从蛋鸡的肠道内分离出能够降解呕吐毒素的菌株。目前, 进一步的研究集中在降解呕吐毒素的解毒酶的分离和纯化方面, 以及寻找产解毒酶基因, 然后将目的基因克隆到生物表达其中高效表达, 这将是今后一段时间霉菌毒素生物降解的研究方向。