生物降解微塑料的机制和研究现状

综述微塑料的种类、危害以及生物降解微塑料的影响因素以及昆虫、微生物、酶降解微塑料的现状及降解机制。根据研究现状,提出生物降解微塑料的研究方向:(1)研究昆虫肠道微生物菌群、宿主、营养摄食三方共协关系。利用代谢组学,研究脂肪、蛋白质以及以微塑料为碳源的代谢机制,研究昆虫分泌消化酶的种类和触发机制。(2)研究微生物分泌胞外、胞内降解酶的种类,借助人工合成技术,合成分泌酶,利用合成的外酶,加快对微塑料内部结构渗透、解聚。研究微生物降解微塑料的机制,以及影响降解的生物性和非生物性因素,确定微生物不竞争、和平共生的条件,采用多种微生物联合共协,配合微塑料物理化学降解方法,为微生物降解微塑料提供新思路。(3)找寻研究更多的降解酶。对目前确定能降解微塑料的酶类借助人工技术合成,研究昆虫摄食降解和人工合成酶、微生物降解和人工合成酶分别与微塑料物理化学降解方法联合使用的可行性。研究思路并行,学科交叉,降解方法共协,为生物降解微塑料提供理论基础。

可生物降解微塑料的自然光解老化

近年来,微塑料(MPs)污染问题受到人们的广泛关注.可生物降解塑料被认为是常规的不可生物降解塑料的替代品,其产量和环境检出量显著增加.MPs的老化过程具有显著的环境行为和生态效应,而光照辐射在塑料老化和降解过程中起到主要作用.然而,现有研究对可生物降解微塑料的自然光解老化过程及其机理的研究鲜有报道.因此,本研究选取了4种常见的可生物降解微塑料为实验对象,分别为聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT),旨在探究上述4种可生物降解微塑料在自然和模拟光照下的老化过程及潜在机理.通过自然和模拟光解老化实验,利用傅立叶变换红外光谱(FTIR)和电子顺磁共振波谱(EPR)观察4种塑料在老化过程中旧键断裂和新键生成,发现在56 d的光老化过程中,PLA-MPs和PBS-MPs表面官能团含量并无显著变化,而随着老化时间的增加,PHA-MPs表面—C=C—的数量在增加,PBAT表面—C—O和C=O的数量在增加.除了实验结果之外,分子模型构建和红外光谱计算等理论分析也为可降解MPs的自然光老化机理提供了理论支撑.

可生物降解塑料袋膜在土壤中降解的纳米尺度特征

传统难降解塑料存在污染问题,因此可生物降解塑料的应用越来越广泛。但在许多自然环境条件下,可生物降解塑料降解速率依然缓慢,也存在一定生态环境风险。目前,在全球气温上升的背景下,可生物降解塑料在土壤环境中老化的纳米尺度机制和破碎化潜势研究还非常有限。因此,以聚乳酸(PLA)基生物降解塑料购物袋膜来源微塑料为研究对象,采用原子力显微镜-红外光谱联用系统(AFM-nanoIR)研究了不同土壤温度条件(常温25℃和高温50℃)下微塑料表面在纳米尺度上的老化特征。结果表明,两种温度条件下PLA表面粗糙度均随老化时间(7和14 d)增加而增加,且高温条件下粗糙度更高,表明高温土壤环境中PLA表面破碎化更快。纳米红外光谱(nanoIR)成像结果表明,与未老化样品相比,老化PLA表面C—O官能团信号明显增强且空间分布面积比例增加(由原始样品的21.1%提高到老化后的37.9%~50.8%);老化14 d时,高温条件下C—O信号比常温环境更强。相似地,老化PLA表面C=O信号增强,分布面积比例增加,表明PLA在老化过程中形成新的羰基化合键。洛伦兹接触共振技术(LCR)分析结果显示,常温土壤环境PLA表面第1振动峰所在频率变化趋势为14 d>7 d>对照,表明老化PLA表面第1振动频率升高,刚性增加;且高温条件下老化7 d处理PLA表面第1振动频率比常温环境更高,表明出现更硬而脆的表面,而老化14 d时刚性降低。此外,纳米热分析(nano-TA)结果显示未老化PLA样品表面玻璃化转变温度为(72.3±4.9)℃,老化7 d时,PLA表面玻璃化转变温度上升,表明耐高温性能增强。但老化14 d时,高温条件下PLA玻璃化转变温度下降且不同测试点位的玻璃化转变温度的异质性变大,表明PLA老化表面出现剥落现象。未来应进一步研究PLA表面剥落过程以及微纳塑料的释放和量化。研究结果为可生物降解材料在土壤环境中的破碎化潜势研究及环境风险评估提供技术支撑。

微塑料对尖吻鲈幼鱼生长和肝脏抗氧化系统的影响

为评估微塑料对海洋鱼类的影响,选取长3 mm×宽3 mm的聚乙烯和生物降解微塑料对尖吻鲈(Lates calcarifer)幼鱼(初始体重8~12 g,体长7~10 cm)在环境相关浓度(0.375 n·L^(-1))下进行为期45天的摄食试验,在第30天和第45天取样测定肝脏抗氧化酶活力以及关键通路基因的表达情况。结果表明:两种微塑料均被幼鱼摄食,但对鱼体体重体长的增长无明显影响;微塑料暴露对抗氧化酶活性影响不大,仅在第45天时PE组过氧化氢酶(CAT)活性较对照组显著下降;两个实验组的Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(Keap1)、核因子E2相关因子2(Nrf2)、谷胱甘肽硫转移酶1(GST1)和血红素氧合酶-1(HO-1)基因相对表达量在第30天时较对照组升高,但差异不显著;两种微塑料的生物效应无明显区别。环境相关暴露浓度下微塑料对尖吻鲈幼鱼的生长无明显影响,未引起明显的氧化应激。生物降解塑料可被鱼类摄食并在短期内不会被降解,如果在海洋环境积累,对鱼类构成潜在影响。今后需要评估长期摄食微塑料包括生物降解微塑料对海洋鱼类的效应。