自20世纪50年代以来，全球塑料行业进入持续高速发展阶段[1]。塑料制品在人们生产生活中无处不在，全球塑料消费量越来越多，与此同时，全球废塑料的产生量也随之增加。然而，大部分塑料垃圾被填埋、焚烧或暴露在环境中，只有少量塑料废弃物被回收。因塑料制品难以降解，逐渐演变出一个不可忽视的全球性问题——“白色污染”[2]。环境友好的新型可降解塑料包装材料应运而生[3]，随着“限塑令”加码为“禁塑令”，可降解塑料迎来了政策性发展新机遇[4]。随着我国禁止进口废弃塑料垃圾和治理塑料污染等政策出台，加强垃圾分类、废弃塑料回收再利用和有机垃圾生化处理等逐渐成为社会共识[5]，而生物降解塑料因其可堆肥生化处理逐渐得到了重视，聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等生物降解材料已成为当下研究热点[6-8]。塑料的生物降解是指在一定时间内，塑料在微生物（如细菌、真菌和藻类等）的作用下被逐渐分解为对环境无害的生物质CO2、CH4和H2O的一系列复杂过程[9-10]。如PLA、聚己内酯(PCL)等塑料因分子结构中含有易水解的酯键或以羟基、羧基、羰基等形式存在的氧原子而易于被生物降解[11]。生物降解性能是评价生物降解材料重要的指标之一，目前我国生物降解测试方法标准已覆盖了堆肥化、淡水环境、海洋环境、土壤环境、污泥厌氧消化等降解环境条件[12]，在《生物降解塑料购物袋》(GB/T 38082—2019)和《一次性可降解餐饮具通用技术要求》(GB/T 18006.3—2020)等多个国家标准中规定。当多个标准方法同时使用时，采用《受控堆肥条件下材料最终需氧生物分解能力的测定采用测定释放的二氧化碳的方法 第1部分：通用方法》(GB/T 19277.1—2011)作为仲裁方法。本实验围绕GB/T 19277.1—2011规定的以腐熟堆肥和活化蛭石作为接种物的两种方法，对可降解塑料膜袋的生物分解率进行系统研究和比对分析，为生物降解测试方法选择和相关标准的修订提供数据支撑和科学依据，也为合理生产和使用生物降解材料提供指导。同时利用生态毒性试验评估可降解塑料膜袋降解后带来的环境风险。1实验部分1.1主要原料试验样品及材料来源，由生产企业提供或流通领域购买。样品试验编号OX210629-005-01(1#)、OX210629-005-02(2#)、OX210629-005-03(3#)、OX210629-005-04(4#)、OX210629-005-05(5#)、OX210629-005-06(6#)、OX210629-005-07(7#)。腐熟堆肥由餐厨垃圾（主要是菜叶，少量鱼肉，家禽内脏等）加木屑和少量腐熟堆肥，经2~3个月需氧堆肥化处理得到。表1为样品的材质、厚度、有机物成分和总有机碳含量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.T001表1样品的材质、厚度、有机物成分和总有机碳含量Tab.1Material, thickness, organic composition and total organic carbon content of the samples样品编号样品名称材质平均厚度/μm有机物成分（挥发性固体含量）/%总有机碳含量（TOC）/%1#快递包装袋PBAT+PLA+无机粉体5079.952.032#购物袋PBAT+PLA+无机粉体12587.354.893#垃圾袋PBAT+PLA+淀粉1896.155.984#垃圾袋PBAT+PLA+滑石粉1476.850.295#塑料膜PLA4094.957.546#塑料袋PBAT+PCL+无机粉体1879.551.067#塑料膜PBS7599.956.031.2仪器与设备红外碳氢氮元素分析仪，YX-CHN5510，长沙开元仪器有限公司；智能马弗炉，YX-WK7300A，长沙友欣仪器制造有限公司；恒温循环水浴锅，HH-12，常州澳华仪器有限公司。1.3性能测试与表征有机物成分测试：样品在550 ℃高温条件下灼烧后损失的质量占总干固体含量的百分比。总有机碳含量(TOC)测试：干基结果采用元素分析仪测得。生物降解性测试：按GB/T 19277.1—2011进行测试，样品制备参照GB/T 38787—2020，将塑料膜袋样品剪成约1 cm×1 cm的样片，保证堆肥法和蛭石法试验样品尺寸一致。每个样品平行测试3组，取平均值，同时进行参比和空白试验，数据为扣除空白后的结果。生态毒性测试：植物出芽率和植物生物量按EN 13432:2000进行测试。取堆肥法降解试验200 d后堆肥土分别种植大麦和绿豆，同时进行参比、空白和阳性对照试验，21 d后检测植物发芽率和生物量并观察其生长状况。2结果与讨论2.1腐熟堆肥法与活化蛭石法下生物降解情况试验扣除空白后二氧化碳释放量与二氧化碳理论释放量的比值，即生物分解率。表2为第10 d时样品生物降解试验结果。从表2可以看出，第10 d时，堆肥法和蛭石法中参比材料的绝对生物分解率分别为17.1%和41.0%，堆肥法中样品3#的降解最快，绝对生物分解率为9.1%，蛭石法中样品6#降解最快，绝对生物分解率为23.7%。蛭石法中样品1#~6#的绝对生物分解率均在10%以上，明显高于堆肥法的10%以下，蛭石法的绝对生物分解率是堆肥法的2~3倍多，其中样品6#最高，达3.5倍；相对生物分解率蛭石法高于或接近堆肥法。蛭石法中样品7#的绝对生物分解率仅2.1%，低于堆肥法的3.3%，相对生物分解率5.1%也远低于堆肥法的19.3%。图1为第10 d时样品平均生物降解率曲线。从图1可以看出，除了样品7#，其余样品前10 d降解，蛭石法比堆肥法明显要快，尤其是参比材料，样品7#在堆肥法和蛭石法中前10 d降解相对缓慢，但堆肥法快于蛭石法。试验中测得前10 d内空白容器中接种物产生的二氧化碳量，堆肥法为82.5 mg/g挥发性固体含量（平均值），蛭石法为455.1 mg/g挥发性固体含量（平均值），蛭石法远大于堆肥法。由于蛭石无机体系中挥发性固体含量低，而加入的营养成分和参比纤维素均易分解，所以蛭石法空白容器前10 d产生的二氧化碳量偏大。蛭石法参比材料生物分解率也远大于堆肥法。蛭石法试验前蛭石的活化很关键。活化蛭石时，在(50±2) ℃环境下培育3~4 d，该过程注意定时补充水分并充分搅拌混合物以确保其均匀曝气，再常温均匀曝气1~2 d，可控制前10 d内空白容器中接种物产生二氧化碳的量在50~150 mg/g挥发性固体含量（平均值）之间，但此过程会对蛭石体系中微生物活性产生一定影响。另外，在《一次性纸制品降解性能评价方法》(GB/T 39951—2021)中采用蛭石法并没有规定前10 d内空白容器中接种物产生二氧化碳的量在50~150 mg/g。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.T002表2第10 d时样品生物降解试验结果Tab.2Biodegradation results of samples at the 10th day of the test样品编号样品名称材质厚度/μm堆肥法蛭石法绝对生物分解率/%相对生物分解率/%绝对生物分解率/%相对生物分解率/%—参比材料微晶纤维素—17.1—41.0—1#快递包装袋PBAT+PLA+无机粉体504.023.410.726.12#购物袋PBAT+PLA+无机粉体1255.934.518.244.43#垃圾袋PBAT+PLA+淀粉189.153.221.452.24#垃圾袋PBAT+PLA+滑石粉146.638.619.948.55#塑料膜PLA405.934.517.943.76#塑料袋PBAT+PCL+无机粉体186.739.223.757.87#塑料膜PBS753.319.32.15.1图1第10 d时样品生物降解曲线Fig.1Biodegradation curves of the sample at the 10th day of test10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F1a1(a)堆肥法平均生物分解率-时间曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F1a2(b)蛭石法平均生物分解率-时间曲线表3为第200 d时样品生物降解试验结果。从表3可以看出，第200 d时，堆肥法和蛭石法参比材料的绝对生物分解率分别为92.9%和93.0%。堆肥法中样品7#的绝对生物分解率最低为54.6%，其余样品的绝对生物分解率均高于60%，样品5#的绝对生物分解率最高为81.4%。蛭石法中样品1#的绝对生物分解率最低为55.1%，其余样品的绝对生物分解率均高于60%，样品3#的绝对生物分解率最高为82.7%。第200 d时，所有样品堆肥法和蛭石法测得的生物分解率结果相对偏差均不超过20%，说明两种方法测得最终的生物分解率结果接近。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.T003表3第200 d时样品生物降解试验结果Tab.3Biodegradation results of samples at the 200th day of the test样品编号样品名称材质平均厚度/μm堆肥法蛭石法绝对生物分解率/%相对生物分解率/%绝对生物分解率/%相对生物分解率/%—参比材料微晶纤维素—92.9—93.0—1#快递包装袋PBAT+PLA+无机粉体5071.777.255.159.22#购物袋PBAT+PLA+无机粉体12571.076.470.776.03#垃圾袋PBAT+PLA+淀粉1871.276.682.788.94#垃圾袋PBAT+PLA+滑石粉1465.970.963.968.75#塑料膜PLA4081.487.670.075.36#塑料袋PBAT+PCL+无机粉体1868.173.370.976.27#塑料膜PBS7554.658.860.164.6图2为第200 d时样品生物降解曲线图。从图2可以看出，堆肥法中参比材料的降解率先上升后逐渐平缓，蛭石法中连续3次快速上升到变平缓。蛭石法中参比材料前10 d快速降解，之后突然变缓，为提高蛭石法的有效性，在试验第32 d和45 d时，分别向试验瓶中加入20 mL 1∶5的腐熟堆肥浸提液，因此呈现波浪式上升趋势，堆肥法相比蛭石法降解过程较平稳。45 d时，堆肥法和蛭石法中参比材料生物分解率分别为70.6%和65.7%，90 d后，分解率都达90%，均到达平稳阶段。堆肥法中样品1#~7#生物降解曲线均持续缓慢上升，样品5#后期降解最快，样品7#降解最慢。蛭石法中样品1#~6#在前20 d快速降解之后放缓，样品3#降解相对最快。样品7#前45 d后降解加快，在180 d后生物分解率逐渐超过1#。堆肥法和蛭石法中样品的降解速率存在差异，主要是两种体系中微生物种类和活性不同。堆肥法中堆肥的腐熟程度对降解速率影响较大，但不影响最终生物降解性能。蛭石法中蛭石活化主要受温度、时间、通风、搅拌等因素影响，降解前期需要人为干预以提高其有效性。堆肥法和蛭石法中，样品7#降解相对较慢，由于该样品厚度较大，PBS分子结构规整，对称性好，结晶度较高[13]。样品3#降解均相对较快，由于该样品厚度较小，含有天然高分子淀粉易降解成分[14]。此外，微生物种类和降解酶也是影响材料生物降解快慢的重要因素[15-17]。图2第200 d时样品生物降解曲线Fig.2Biodegradation curves of the sample at the 200th day of test10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F2a1(a)堆肥法平均生物分解率-时间曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F2a2(b)蛭石法平均生物分解率-时间曲线2.2腐熟堆肥法与活化蛭石法的生物降解样品状态分析图3~图10分别为堆肥法和蛭石法在不同生物降解时间下样品状态。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F003图3堆肥法生物降解时间为0时的样品状态Fig.3Sample status of composting biodegradation for 010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F004图4堆肥法生物降解在45 d的样品状态Fig.4Sample status of composting biodegradation for 45 d10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F005图5堆肥法生物降解在145 d的样品状态Fig.5Sample status of composting biodegradation for 145 d10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F006图6堆肥法生物降解时间为180 d的样品状态Fig.6Sample status of composting biodegradation for 180 d10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F007图7蛭石法生物降解时间为0的样品状态Fig.7Sample status of vermiculite biodegradation for 010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F008图8蛭石法生物降解时间为45 d的样品状态Fig.8Sample status of vermiculite biodegradation for 45 d10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F009图9蛭石法生物降解时间为145 d的样品状态Fig.9Sample status of vermiculite biodegradation for 145 d10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F010图10蛭石法生物降解时间为180 d的样品状态Fig.10Sample status of vermiculite biodegradation for 180 d从图3~图10可以看出，堆肥法和蛭石法中，开始试验时时，将剪成1 cm×1 cm的样片分别与腐熟堆肥和活化蛭石均匀混合后，放入试验箱中按标准规定条件进行试验。堆肥法中，试验进行45 d时，1#、2#样品表面未见明显变化，其余样品部分降解，但仍可见完整样片。蛭石法中，试验进行45 d时，除7#样品未见明显变化，其余样品均出现部分降解，降解样片四周被侵蚀或中间出现孔洞，但仍可见完整样片。样品1#、样品2#、样品7#薄膜相对较厚，平均厚度大于或等于50 μm，所以前期降解缓慢。堆肥法与蛭石法，试验进行145 d时，所有样品均降解为碎片，180 d时，所有样品均已崩解，未见细小碎片。2.3腐熟堆肥体系生物降解后生态毒性试验由于活化蛭石体系生物降解试验200 d后，试验前所加营养物质已基本分解，不适合植物正常生长；而腐熟堆肥体系与自然环境体系接近，研究腐熟堆肥体系材料生物降解后生态毒性，对于评价生物降解材料在自然环境中降解后生态毒性具有较强参考价值。生态毒性试验参考EN 13432:2000进行，采用双子叶植物绿豆与单子叶植物小麦分别进行生态毒性试验。取样品堆肥法降解试验200 d后的堆肥样本与参比鱼塘土按质量比为50%混合均匀作为样品组，分别种植绿豆和大麦，同时进行100%参比土（鱼塘土）、50%空白堆肥组（质量分数50%空白堆肥与50%参比土混合）和50%阳性对照组（质量分数50%微晶纤维素堆肥与50%参比土混合）试验，21 d后统计植物的发芽和生长情况。表4为种植绿豆和大麦的发芽情况。图11和图12分别是堆肥法种植绿豆和大麦21 d后幼苗照片。从表4可以看出，各组绿豆和大麦的发芽率均在90%以上。种植绿豆，50%空白堆肥组、100%参比土和50%阳性对照组发芽率分别为97.5%、98.0%和96.0%，50%堆肥样本2#发芽率最高达100%。100%参比土生物量最低为0.455 g；50%堆肥样本6#生物量最高为0.545 g、生物量的百分比最高为120%。50%堆肥样本7#生物量百分比最低为101%。种植大麦，50%空白堆肥组、100%参比土和50%阳性对照组发芽率分别为98.0%、97.5%和99.5%，1#、5#、7#堆肥发芽率相对偏低，为92.0%左右，其余样品堆肥发芽率均≥96%。100%参比土生物量最低为0.165 g，50%堆肥样本5#生物量和生物量百分比均最高分别为0.400 g、242%；50%堆肥样本5#发芽率偏低但生物量最高。7个50%堆肥样本堆肥生物量和生物量的百分比均高于50%空白堆肥组、100%参比土和50%阳性对照组。因此，种植绿豆和大麦生物量的百分比全部大于100%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.T004表4种植绿豆和大麦的发芽情况Tab.4Germination of mung beans and barley发芽情况50% 空白堆肥组50% 阳性对照组50%堆肥样本1#50%堆肥样本2#50%堆肥样本3#50%堆肥样本4#50%堆肥样本5#50%堆肥样本6#50%堆肥样本7#100%参比土种植绿豆发芽率平均值/%97.596.098.010097.598.098.097.597.098.0发芽率的百分比/%99.098.010010299.010010099.099.0—生物量平均值（鲜重）/g0.5150.4950.5300.5350.5200.5050.5400.5450.4600.455生物量的百分比/%113109116118114111119120101—种植大麦发芽率平均值/%98.099.591.596.096.096.592.096.592.097.5发芽率的百分比/%10110294989899949994—生物量平均值（鲜重）/g0.2700.2800.3150.3700.3450.3550.4000.3300.3150.165生物量的百分比/%164170191224209215242200191—注：发芽率的百分比和生物量的百分比均是相对于100%参比土。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F011图11样品堆肥法生物降解后生态毒性试验（种植绿豆）Fig.11Ecological toxicity test after biodegradation by sample composting （Planting mung beans）10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.018.F012图12样品堆肥法生物降解后生态毒性试验（种植大麦）Fig.12Ecological toxicity test after biodegradation by sample composting （Planting barley）从图11和图12可以看出，在不同样本的堆肥条件下，绿豆和大麦均可以正常发芽生长，且幼苗没有明显的植物毒性，如黄化、坏死、枯萎、叶片和茎秆变形等现象。样品1#~7#中50%堆肥样本、参比土、50%空白堆肥组、50%阳性对照组的绿豆苗生长高度约25 cm，各组生长高度基本一致。样品1#~7#中50%堆肥样本、50%空白堆肥组、50%阳性对照组大麦苗生长高度约为35 cm，明显高过参比土的28 cm。3结论（1）从样品堆肥法和蛭石法生物降解情况来看，蛭石法前期降解很快，堆肥法降解速率相对均衡，无明显快速降解期。随着降解时间延长，两种方法趋于平稳，降解结果差异逐渐缩小，最终堆肥法和蛭石法测得的生物分解率结果相对偏差均不超过20%。两种方法最终可以实现等同或等效，但是降解过程中降解速率会有一定差异，因此堆肥法和蛭石法短期（平稳阶段前）降解测得的生物分解率可能有较大差别。（2）堆肥法的优点是整个降解过程相对平稳，缺点是前期腐熟堆肥时间长（一般2~3个月），场地要求较高，存在“引发效应”，过程繁琐且存在一定风险等。蛭石法的优点是前期活化处理相对简单且时间短（一般3~5 d），蛭石作为无机物，可以明显减小引发效应，从而提高试验的可靠性。更大的优点是由于其低生物活性可使空白试验容器中释放极少的二氧化碳，可以用于测定低生物分解性的一些材料。缺点是降解前期可能会不稳定，需要人为干预等。（3）从样品降解过程中状态来看，试验前期蛭石法和堆肥法降解速率有所不同，后期基本一致。前45 d蛭石法比堆肥法降解快，145 d后蛭石法和堆肥法所有样品均降解为碎片，180 d时所有样品已基本崩解，未见细小碎片。（4）生态毒性试验表明，本研究中的生物降解塑料膜袋堆肥降解后产生的堆肥，可以使植物正常发芽和生长，种植绿豆和大麦的发芽率均在90%以上，生物量均高于参比土，生物降解塑料膜袋堆肥质量良好，基本无植物生态毒性。