准确跟踪塑料如何生物降解

现代农业使用大量塑料，特别是农民用来覆盖田间土壤的地膜形式。这可以使土壤保持湿润，以利于作物生长，抑制杂草并促进作物生长。

然而，农民在使用后收集和处理传统聚乙烯(PE)薄膜通常非常耗时且成本高昂。此外，不可能重新收集所有的薄PE薄膜，因为它们很容易撕裂。这意味着PE碎片会留在土壤中并在那里堆积，因为PE不会降解。

可生物降解的地膜是一种很有前途的替代品，因为与PE薄膜相比，它理想地不会在土壤环境中留下任何聚合物成分。它包含的可生物降解聚合物经过精心设计，以便微生物可以利用它们来产生能量并构建细胞生物质。

可生物降解的聚合物在其主链结构中具有预期的化学“断裂点”。天然存在的微生物，例如土壤中的微生物，可以将酶释放到它们的环境中，这些酶会攻击聚合物中的这些点并将它们分解。然后释放的小降解产物被微生物吸收并最终呼吸形成最终产物CO2。

这就是证明从聚合物碳中形成CO2对于生物降解至关重要的原因。也因为除了真正的可生物降解塑料外，还有一些基于PE含有特定添加剂的错误标签。这些薄膜只会分解成肉眼不再可见的非常小的微塑料。而且由于它们不会被微生物降解，它们会在环境中积累。

新方法涵盖生物降解的所有方面

到目前为止，基于现有的方法，还无法完整地跟踪聚合物生物降解的过程。但在过去几年中，苏黎世联邦理工学院的环境化学小组开发了一种新方法来跟踪和测量聚合物是否以及在何种程度上在土壤中生物降解。他们的发现刚刚发表在NatureCommunications上。

这些结果可能会改变未来研究聚合物生物降解的方式。除了化学公司巴斯夫的员工外，该项目还涉及来自ETH地球科学系和Eawag的研究人员。

这种新方法基于使用用稳定碳同位素(13C)标记的聚合物。这种标记使研究人员能够在土壤中生物降解期间选择性地跟踪聚合物的13C，因此他们可以明确地证明生物降解确实正在发生。到目前为止，仅使用非同位素标记的聚合物测试了塑料的生物降解性。

如果添加的聚合物碳转化为CO2的比例在特定的培养期内超过预定水平，则聚合物(或由一种或多种聚合物组成的塑料材料)被证明是可生物降解的。例如，可生物降解地膜的标准要求进行两年的土壤培养，其中至少90%的地膜碳被“矿化”成CO2。

这些测试方法已被确立为检测聚合物矿化的合适方法。然而，它们没有捕捉到生物降解的全部程度，因为它们仅测量CO2的形成。因此，使用当今标准方法的研究人员无法检测到潜伏期结束时土壤中残留的聚合物碳量。

此外，尚不清楚这些剩余的碳是否仍以添加的聚合物的形式存在，或者微生物是否已经将其掺入其生物质中。

封闭的碳质量平衡

ETH研究人员及其同事开发的方法消除了这些歧义。在他们的测试中，他们使用了13C标记的聚丁二酸丁二醇酯或PBS——一种商业上重要的可生物降解聚酯，也用于地膜。

研究人员现在能够在生物降解过程中选择性地跟踪PBS中的13C：除了确定矿化成13CO2外，作者还通过量化PBS衍生的13C残留量证明了PBS碳的完全质量平衡。孵化后在土壤中。

“我们很高兴看到在425天的土壤孵化过程中碳质量平衡闭合。这表明我们可以准确地确定聚合物碳的最终位置——大约三分之二在CO2中，三分之一在土壤中——超过这些非常长的潜伏期，”该研究的主要作者TaylorNelson解释说，他在环境化学组获得了博士学位。

研究人员还想知道作为PBS添加的碳以何种形式留在土壤中。有多少被掺入到微生物生物质中，有多少仍以残留PBS的形式存在?

为了回答这个问题，作者在孵化结束时从土壤中提取并量化了残留的PBS。他们能够证明，虽然大部分碳仍以PBS的形式存在，但大量(7%)添加的PBS碳已被纳入微生物生物质中。

准确确定剩余多少聚合物以及已将多少聚合物碳掺入生物质中的能力对于未来的研究和新的可生物降解聚合物的开发至关重要。“我们现在可以系统地测试允许聚合物完全生物降解为CO2和微生物生物质的土壤条件和聚合物特性，并且我们可以评估可能随着时间的推移减缓聚合物生物降解的因素，”该大学教授MichaelSander解释说。ETH环境化学组。

这项工作已经在进行中：使用新方法，该小组目前正在研究包括田间在内的各种农业土壤中进一步聚合物的生物降解。“通过这种方式，我们希望确保可生物降解的聚合物名副其实，并且不会留在环境中，”苏黎世联邦理工学院环境化学教授兼同名研究小组负责人KristopherMcNeill说。

“用可生物降解的聚合物代替传统聚合物有助于减少塑料污染，特别是对于聚合物直接在环境中使用的应用，这样聚合物在使用后很可能会保留在那里，”Sander指出。

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