用于检测高分子材料在海洋环境中的好氧生物降解性能的方法
阅读说明：本技术 用于检测高分子材料在海洋环境中的好氧生物降解性能的方法 (Method for detecting aerobic biodegradation performance of high polymer material in marine environment ) 是由 王格侠 季君晖 黄丹 李飞 卢波 甄志超 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于检测高分子材料在海洋环境中的好氧生物降解性能的方法,其包括如下步骤：(i)提供待检测的高分子材料样品和海水样本；(ii)将所述样品置于所述海水样本中,在好氧环境下进行降解试验；(iii)吸收降解产生的CO-(2)气体,使其反应生成碳酸根离子；(iv)定期取样测定碳酸根离子含量,基于碳酸根离子含量推算降解产生的CO-(2)气体释放量,根据CO-(2)气体释放量随降解时间的变化评价高分子材料的生物降解性能,其中,碳酸根离子含量可采用离子色谱仪测定,因此,本发明的方法相比于现有的检测方法具有更高的灵敏度和检测限,并且,便于实现检测自动化。(The invention discloses a method for detecting the aerobic biodegradation performance of a high polymer material in a marine environment, which comprises the following steps: (i) providing a high polymer material sample to be detected and a seawater sample; (ii) placing the sample in the seawater sample, and performing a degradation test in an aerobic environment; (iii) absorption of CO produced by degradation 2 Reacting the gas to produce carbonate ions; (iv) periodically sampling to determine the content of carbonate ions, and calculating CO generated by degradation based on the content of the carbonate ions 2 Amount of gas released according to CO 2 The biodegradation performance of the high polymer material is evaluated according to the change of the gas release amount along with the degradation time, wherein the content of carbonate ions can be measured by an ion chromatograph, so that compared with the existing detection method, the method disclosed by the invention has higher sensitivity and detection limit, and is convenient for realizing detection automation.)
技术领域
本发明涉及高分子材料的生物降解性能的检测方法，具体而言，本发明涉及检测高分子材料在海洋环境中的生物降解性能的方法。
背景技术
高分子材料的降解按照降解机制分为光降解，氧化降解，水解，生物降解，光/氧降解等，其中生物降解是最受关注也是应用最广泛的降解方式，生物降解通常以高分子材料在介质中最终生成二氧化碳气体作为核心评价标准。因此，现有技术中通过检测高分子材料在降解过程中的二氧化碳释放量评估材料的生物降解性能。
在真实的海洋降解环境中，最高温度不超过30℃，随着水深的增加，海水温度逐步降低，海底温度低于10℃。由于海洋环境的温度较低，高分子材料在海水环境中的降解较为缓慢，降解释放的二氧化碳量也较少。对于高分子材料的生物降解性能检测而言，现有的检测方法通常采用呼吸计、红外光谱仪或酸碱滴定法来检测降解过程中产生的二氧化碳，其中，呼吸计和红外光谱仪的检测限都在1ppm以上，这两种检测仪器的检测限较高，只适用于测试高分子材料在诸如堆肥之类的高微生物含量和高温条件下降解所产生的大量二氧化碳，然而，在真实的海洋降解环境中，由于降解环境的温度较低且高分子材料的降解较为缓慢，降解释放的二氧化碳的量较低，而呼吸计和红外光谱仪的检测限较高，当降解产生的二氧化释放量低于检测限时，均无法检测到二氧化碳，因而容易对降解性能做出错误评价。此外，酸碱滴定法因为需要经常配制更换碱液，并用标准溶液滴定，实验误差来源多，其中包括较多的人为因素容易造成误差，此外，需要耗费人工，检测效率低，不能高效准确且灵敏地评价海洋环境中高分子材料的降解。
因此，目前亟需一种灵敏度更高的适于检测高分子材料在海洋环境中的生物降解性能的方法。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种检测高分子材料在海洋环境中的好氧生物降解性能的改进方法，该方法能够更加真实反映材料在海洋环境中的降解性能。
本发明的检测高分子材料在海洋环境中的好氧生物降解性能的方法包括如下步骤：
(i)提供待检测的高分子材料样品和海水样本，其中，所述海水样本含有微生物和无机养分；
(ii)将所述样品置于所述海水样本中，在好氧环境下进行降解试验；
(iii)吸收降解产生的二氧化碳气体，使其反应生成碳酸根离子；
(iv)定期取样测定碳酸根离子含量，基于碳酸根离子含量推算降解产生的二氧化碳气体释放量，根据二氧化碳气体释放量随降解时间的变化评价所述高分子材料的生物降解性能。
在本发明的一些实施方式中，步骤(iii)中可采用至少一个碱溶液吸收肼吸收二氧化碳气体并生成碳酸根离子。当碱溶液吸收肼的数量为至少两个时，各吸收肼之间相互串联，进而提高二氧化碳的吸收效率。
在本发明的一些实施方式中，步骤(iv)采用阴离子色谱仪检测碳酸根离子含量，由于离子色谱仪的低检测限，即使在降解初期二氧化碳释放量很少的情况下，也能准确灵敏地检测到吸收肼中的碳酸根离子的含量。
在本发明的一些实施方式中，二氧化碳吸收肼中的碱溶液能够与二氧化碳生成水溶性碳酸根离子，优选为容易与二氧化碳快速反应生成水溶性碳酸根离子的碱溶液，例如NaOH溶液或者KOH溶液等强碱溶液。
在本发明的一些实施方式中，本发明的检测方法还可以根据二氧化碳气体释放量换算所述高分子材料的矿化率，并且，基于矿化率评价生物降解性能，矿化率换算公式如下：
其中，(CO2)T为待检测样品在检测过程中累计产生的CO2的量；(CO2)B为空白对照产生的CO2的量；ThCO2为样品理论上产生的CO2的量。
在本发明的一些实施方式中，所述海水样本中所包含的微生物的含量为104-107CPU/mL，无机养分包括NH4Cl和KH2(PO4)。
在本发明的一些实施方式中，对于检测海洋环境中高分子材料的降解性能而言，降解持续的预定时长为3至6个月，该时长还可根据待测高分子材料本身的性质以及检测条件进行适当调整。
在本发明的一些实施方式中，对二氧化碳吸收肼中的吸收液定期取样测定碳酸根离子含量的频度为每5天至20天测量一次，也可以根据待测样品的具体情况进行适当调整。
本发明相比于现有的高分子材料在海洋环境中的降解性能检测方法，本发明将降解释放的二氧化碳吸收生成碳酸根离子，并基于碳酸根离子含量来推算二氧化碳累计释放量，其中，碳酸根离子含量采用离子色谱仪测定，因此，本发明的方法具有高灵敏度和高检测限，并且，便于实现检测自动化。
附图说明
图1A显示了根据本发明的检测方法得到的四种检测样品在90天的降解时间段内的二氧化碳累计释放量随时间的变化曲线。
图1B显示了相应于图1A所示的四种检测样品在90天的降解时间段内的二氧化碳累计释放量计算得到的矿化率随时间的变化曲线。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明进行详细说明，这些具体实施例仅用于举例说明本发明，对本发明的保护范围不构成任何限定。
在本发明的示例性实施方式中，选择薄膜形式的样品，以薄层色谱级(TLC)纤维素用作参比对照，以仅含有海水样本的反应器用作空白对照。
在本发明的示例性实施方式中，海水样本可以根据需要提取自然海水样本或者自行配制，也可以参考现有标准(例如ASTM D6691-2009)中的海水样本，其中含有无机盐、微生物以及微生物所需的无机养分，其组分和含量可以参照现有标准。其中，海水样本中的微生物数可以通过富集，培养或稀释的方式进行调整，为了更加真实地模拟海水环境，在本发明的示例性实施方式中，海水样本中的微生物数调整为104-107CPU/ML。微生物计数可采用本领域已知的常规方法，例如平板计数法。
在本发明的示例性实施方式中，降解试验温度选为30℃，也可在适当范围内浮动，该降解温度一方面可以模拟海水环境，另一方面可以将降解检测时长控制在合理范围内，例如将检测时长控制在6个月之内。此外，还可以设定加速降解试验的温度条件。
在本发明的示例性实施方式中，为了使降解试验在好氧环境中进行，可以直接向降解容器中通入氧气，也可以通入除去CO2气体的空气，例如，可以使用空气压缩机将空气鼓入CO2吸收肼除去CO2气体，除去CO2气体的空气缓慢引入降解容器，为了适当控制气体流量，可根据需要在气体流路中设置气体缓冲罐和空气流量计。此外，CO2吸收肼的数量可以根据需要进行设置，可以是单个CO2吸收肼，也可以是多个CO2吸收肼串联使用。
在本发明的示例性实施方式中，高分子材料降解产生的CO2气体采用至少一个具有一定浓度的碱溶液吸收肼进行收集，为了提高吸收效率，必要时，可通过增加CO2气体与吸收溶液的接触面积，或者使用多个吸收肼串联。吸收肼中的碱溶液用于吸收CO2气体生成碳酸根离子，碱溶液优选为与二氧化碳容易快速生成水溶性碳酸根离子，例如，选用适当浓度的NaOH溶液或者KOH溶液。
采用阴离子色谱仪定期测定吸收肼内溶液中碳酸根离子含量，推算降解产生的CO2，当采用多个吸收肼串联时，应计算各吸收肼在同一降解时段的吸收量之和。根据降解累计产生的CO2气体量占海水降解塑料理论二氧化碳产生量的的百分比为即为降解率或矿化率。
在本发明的示例性实施方式中，碳酸根离子的浓度采用阴离子色谱仪进行测定，为了分析降解性能随时间的变化关系，本发明在降解过程中对累计生成的碳酸根离子含量进行定期测定，进而推算相应的二氧化碳累计释放量，最终计算所检测的高分子材料的矿化率(即降解率)，以评价生物降解程度。
样品的生物降解程度可以根据计算矿化率(见公式1)来评估：
其中，(CO2)T为样品累计产生CO2的含量(mg)，(CO2)B为空白组累计产生CO2的含量(mg)和ThCO2为样品理论产生CO2的总含量(mg)(见公式2)。
其中，MTOT为测试材料的总干固重(mg)，CTOT为测试材料的总有机碳含量(％)。
实施例1
在本实施例中，采用PBS(聚丁二酸丁二醇酯)、PBSG30、PBSG50作为高分子材料试验样品，以纤维素作为参比对照，试验样品和参比对照样品的分子量、碳含量和理论CO2含量如下表所示。试验样品PBSG30和PBSG50的结构式如下。
将1.5g上述四种薄膜状样品分别放入盛有3L海水样本的5L降解反应罐中，其中，微生物数量为3489CPU/mL，无机养分包括0.5g/L NH4Cl和0.1g/L KH2(PO)4，将上述样品置于该海水样本中，在30℃下降解3个月，将降解产生的二氧化碳引入盛有0.1mol/L的NaOH水溶液的二氧化碳吸收肼中进行收集，每隔10天，从该吸收肼中抽取溶液，通过IC940型离子色谱仪测定所抽取的NaOH溶液中碳酸根离子的含量。该离子色谱仪使用MetroSep OrganicAcids -250/7.8色谱柱，淋洗液为0.5mM H2SO4，流速0.5mL/min，柱温30℃，定量环100μL，采用858自动进样器进样，通过电导检测器进行分析。每个样品三组平行取平均值。通过碳酸根离子浓度的测定数据推算各取样时间点的二氧化碳累计生成量。图1A显示了上述四种检测样品在90天的降解时长内检测到的二氧化碳累计释放量随时间变化曲线，图1B显示了相应于图1A所示的四种样品所对应的矿化率(即降解率)随时间变化曲线，基于二氧化碳计算降解率或矿化率的计算公式如下：
其中，(CO2)T为待检测样品在检测过程中累计产生的CO2的量；(CO2)B为空白对照产生的CO2的量；ThCO2为样品理论上产生的CO2的量(列于上表)。
图1A和图1B表明，在温度为30℃，初始微生物含量为3489CPU/ML的自然海水样本中持续3个月，纤维素、PBSG30、PBSG50样品都发生了生物降解，有明显CO2生成，通过测量和计算获知，纤维素、PBSG30、PBSG50样品生物降解率分别为65.8％、32.5％、19.3％。PBS生物降解过程不明显，仅有微量CO2生成，生物降解率小于2％。
对比例1(采用红外光谱仪测量二氧化碳)
与实施例1相同，将1.5g上述四种高分子材料样品分别放入盛有3L海水样本的5L反应罐中，其中，微生物含量为3489CPU/mL，30℃下在该海水样本中降解3个月，每日早晚使用红外光谱仪从降解反应罐中输出的气体中实时检测二氧化碳浓度，推算当日生成二氧化碳气体浓度。实验结果均没有检测到上述样品降解产生的二氧化碳。
从理论上来说，以参比对照纤维素样品为例，理论二氧化碳生成量为2300mg，假设60天达到100％矿化率，则平均每分钟二氧化碳生成量为2300mg/60天/24小时/60分钟＝0.00266mg。目前二氧化碳红外检测器的检测限为104-106ppm，如果气体流量为100ml/min，则每分钟通过检测器的气体应至少为0.1mg。显然使用红外光谱仪无法检测到降解试验释放的二氧化碳。由此可见，红外光谱仪无法满足检测海洋环境中降解的高分子材料所产生的二氧化碳的需求。
对比例2(采用气相色谱仪测量二氧化碳)
与实施例1相同，将1.5g上述四种高分子材料样品分别放入盛有3L海水样本的5L反应罐中，其中，微生物含量为3489CPU/mL，30℃下在该海水样本中降解3个月，每日早晚采集降解用的5L反应罐中输出的气体并用微量进样器抽取气体进入气相色谱仪进行二氧化碳浓度检测。实验结果：所有样品均没有检测到二氧化碳。由于普通CO2气相色谱检测仪的检测限为1ppm，因此无法满足检测在海洋环境中降解的高分子材料所产生的二氧化碳的需求。
对比例3(采用酸碱滴定法测量二氧化碳)
与实施例1相同，将1.5g上述四种待检测样品分别放入盛有3L模拟海水(其中微生物含量为3489CPU/mL)的5L反应罐中，在30℃下在该模拟海水环境中降解3个月，将降解产生的二氧化碳引入盛有氢氧化钡溶液的容器中，定期配制新的氢氧化钡溶液进行更换，取上层清液用酸碱滴定法滴定，检测二氧化碳生成量。
该方法因为需要经常配制更换碱液，并用标准溶液滴定，实验误差来源多，费人工，效率低。
通过比较上述具体实施例和对比例可知，在本发明的降解检测方法中，采用碱溶液吸收肼收集高分子材料降解产生的二氧化碳，将其转化为碳酸根离子，并且采用离子色谱仪测量吸收肼溶液中的碳酸根离子含量，基于碳酸根离子含量通过换算得到降解时长内释放的二氧化碳累计量，其检测限明显低于现有技术中所采用的红外光谱仪和气相色谱仪的检测限，因此，检测灵敏度较高，尤其适合检测高分子材料在海水环境中的降解性能。对于红外光谱仪和气相色谱仪而言，都是直接测量二氧化碳气体，在较长降解时长内累计产生的二氧化碳气体的测量不仅受到高检测限的约束，而且还受到气体容器的容积限制，因此，不容易准确测出高分子材料在降解缓慢的海水环境中的降解性能。酸碱滴定法受诸多人为因素的影响，其检测结果误差来源多，同样无法反映真实的海洋环境的降解性能。
以上结合具体实施例对本发明进行了具体说明，这些具体实施例仅仅是示例性的，不能以此限定本发明的保护范围，本领域技术人员在不背离本发明的实质和范围的前提下可对本发明进行各种修改、变化或替换。因此，依照本发明所作的各种等同变化仍属于本发明所涵盖的范围。
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