塑料制品在可持續(xù)發(fā)展中的前景
——可降解塑料的環(huán)境友好性

張 闖，柳乃奎，遲延娜，周圣雄

1 背景

隨著人口數(shù)量和人類活動(dòng)范圍的不斷增加， 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，環(huán)境污染已經(jīng)成為危害人類健康最重要的因素。特別是有機(jī)化工產(chǎn)品的使用和丟棄給環(huán)境帶來(lái)了越來(lái)越多的持久性有機(jī)污染物。這些污染物不僅會(huì)污染人類賴以生存的土壤，空氣，水質(zhì)等，還具有致癌性、致突變和致畸變作用，對(duì)人類健康造成嚴(yán)重危害[1]。

傳統(tǒng)塑料材料是目前使用范圍較為廣泛的有機(jī)化工產(chǎn)品。它在給人類生活提供很多便利和好處的同時(shí)，由于其大量的使用同時(shí)也給全球帶來(lái)了嚴(yán)重的白色污染以及有機(jī)污染物污染，因此受到了全世界的廣泛關(guān)注。這些傳統(tǒng)的塑料制品如塑料包裝袋、塑料吸管、塑料餐具、塑料地膜等，使用后很難回收，且無(wú)法快速的降解從而污染環(huán)境[2]。在自然界中即使歷經(jīng)很長(zhǎng)的時(shí)間所崩解成的塑料粒子，進(jìn)入環(huán)境，水體甚至人體富集，帶來(lái)大量塑料微粒子的污染和危害。

鑒于傳統(tǒng)塑料對(duì)環(huán)境所帶來(lái)的嚴(yán)重危害，全球進(jìn)入了禁塑和限塑的高潮，各國(guó)紛紛制定了史上最嚴(yán)禁塑令。2019 年聯(lián)合國(guó)發(fā)布了關(guān)于“一次性塑料和微塑料的法律限制：國(guó)家法律和法規(guī)的全球?qū)彶椤?。該?bào)告調(diào)查了全球192 個(gè)國(guó)家，其中127 個(gè)國(guó)家頒布了某種形式的國(guó)家法律法規(guī)限制一次性塑料和微塑料，65 個(gè)國(guó)家沒(méi)有關(guān)于一次性塑料和微塑料的限制[3]。這些法律、法規(guī)一方面提供禁令、征稅以及廢物管理措施以加強(qiáng)處置，另一方也同時(shí)鼓勵(lì)再利用和再循環(huán)，推廣各種新型材料來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料產(chǎn)品。

生物降解塑料和生物基塑料作為應(yīng)對(duì)環(huán)境保護(hù)和人類健康問(wèn)題的環(huán)境友好型塑料，備受大眾期待，是當(dāng)前環(huán)境、材料領(lǐng)域或?qū)W術(shù)研究的重點(diǎn)，同時(shí)也是健康促進(jìn)關(guān)注的熱點(diǎn)。

2 環(huán)境友好型塑料

所謂環(huán)境友好型塑料，一般認(rèn)為包括由可再生資源生產(chǎn)的生物基塑料，也包括能在自然環(huán)境或特定條件下分解的生物降解塑料。

2.1 生物基塑料

生物基塑料是指從使用生物質(zhì)替代石油為原料的角度出發(fā)，用來(lái)源于可再生碳源的高分子材料，例如由從天然植物中提取的成分如淀粉，纖維素、木質(zhì)素等通過(guò)加工生成。

2.2 生物降解塑料

生物降解塑料是指能在自然界如土壤或沙土等條件下，或特定條件下如堆肥條件下或厭氧消化條件下或水性培養(yǎng)液中，由自然界存在的微生物作用引起降解，并最終完全降解變成二氧化碳（CO2）或/和甲烷（CH4）、水（H2O）及其所含元素的礦化無(wú)機(jī)鹽以及新的生物質(zhì)的塑料[4]。

盡管生物基塑料和生物降解塑料在定義上有本質(zhì)的差異，但生物降解塑料的環(huán)保屬性來(lái)源于材料的生物可降解性能，而與其原料來(lái)源是非可再生的石油資源還是可再生的生物資源無(wú)關(guān)。而生物基塑料不需要考慮是否可降解，因此并非所有的生物基塑料都是生物降解塑料[5]。

3 生物降解塑料的分類

生物降解塑料是一種重要的可降解塑料。理想的生物降解塑料在廢棄后可被環(huán)境微生物完全分解并最終生成二氧化碳、水等，從而進(jìn)入自然生物圈的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，不再對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害[6]。由于可以通過(guò)微生物很好的降解進(jìn)而回歸自然，生物降解塑料備受各國(guó)政府、科研機(jī)構(gòu)以及材料產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。許多性能優(yōu)良的生物可降解材料被研發(fā)出來(lái)用于生活中的方方面面，包括食品和日化包裝、一次性日用品、農(nóng)用地膜、建筑材料、生物醫(yī)療用品等領(lǐng)域[7]。

生物降解塑料按照原料和制備方法可以分為天然高分子降解塑料、微生物合成降解塑料以及化學(xué)合成降解塑料等[8]。天然高分子降解塑料是由天然物質(zhì)制備而成，包括淀粉，蛋白質(zhì)、纖維素等，原料來(lái)源豐富且價(jià)格低廉，極易被微生物利用。生物基塑料中一部分屬于天然高分子降解塑料，但并不是所有的生物基塑料都可以被生物降解。微生物合成降解塑料是一種生物塑料，是微生物將某些有機(jī)物作為食物源，通過(guò)自身的生命運(yùn)動(dòng)形成高分子化合物?；瘜W(xué)合成降解塑料的主要品種為脂肪族聚酯、脂肪-芳香共聚酯、脂肪族聚碳酸酯等，其分子鏈上的酯基結(jié)構(gòu)在自然界中易被微生物或酶分解從而最終降解[9]。

4 生物降解塑料的評(píng)價(jià)體系

根據(jù)測(cè)試環(huán)境不同，目前常用的塑料生物降解性試驗(yàn)方法有特定酶降解試驗(yàn)法、土埋試驗(yàn)法、活性污泥試驗(yàn)法、堆肥試驗(yàn)法4 種方式。根據(jù)英國(guó)皇家統(tǒng)計(jì)協(xié)會(huì)的一份報(bào)告，截至2017 年，僅9%的塑料被回收利用，而12%的塑料被焚化，其余的79%進(jìn)入了垃圾填埋場(chǎng)和環(huán)境[10]。堆肥法是近年來(lái)興起的一種測(cè)定高分子材料生物降解性能的方法。由于能夠較為真實(shí)地模擬高聚物材料在自然條件下的降解情況，并且實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單便宜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也能夠令人滿意，因此，堆肥法成為國(guó)內(nèi)外所普遍接受的一種試驗(yàn)方法。以下總結(jié)了各國(guó)關(guān)于生物降解塑料的主要標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系。

4.1 歐盟

1994 年，歐盟發(fā)布了94/62/EC 歐盟包裝和包裝廢棄物指令，并進(jìn)行了多次修訂，旨在協(xié)調(diào)各國(guó)有關(guān)包裝物和廢棄包裝物管理的措施：一方面是為了防止由此對(duì)各成員國(guó)和第三國(guó)環(huán)境產(chǎn)生任何影響。或減小這類影響，從而提供高水平環(huán)境保護(hù)；另一方面是為了確保內(nèi)部市場(chǎng)的正常運(yùn)行并且避免在歐洲共同體內(nèi)產(chǎn)生貿(mào)易壁壘、不正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)和使競(jìng)爭(zhēng)受到限制。指令規(guī)定這些管理措施的首要目的是防止產(chǎn)生廢棄包裝物，其次是作為附加的基本原則，對(duì)包裝物再使用、再循環(huán)和實(shí)現(xiàn)其他形式的廢棄包裝物回收以及由此減少對(duì)這類廢棄物的最終處理量。

94/62/EC 的基本要求里規(guī)定：對(duì)于以堆肥形式回收的包裝而言，用于堆肥處理的包裝廢物應(yīng)具有可生物降解的性質(zhì)，以免妨礙單獨(dú)收集以及其被引入到的堆肥過(guò)程或活動(dòng)。對(duì)于可生物降解包裝而言，可生物降解的包裝廢物的性質(zhì)應(yīng)使其能夠進(jìn)行物理、化學(xué)、熱或生物分解，以使大部分的最終堆肥分解為二氧化碳、生物質(zhì)和水[11]?！禘N 13432包裝通過(guò)堆肥和生物分解評(píng)定包裝可回收性的要求 試驗(yàn)計(jì)劃和包裝最后驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定》便是包裝物有機(jī)回收標(biāo)準(zhǔn)。符合EN 13432 就能符合94/62/EC 里的上述規(guī)定。

EN 13432 和EN 13428、EN 13429、EN 13430、EN 13431 其他4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)一起為符合94/62/EC 的所有基本要求提供了框架。EN 13427 是解釋上述5項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)之間關(guān)聯(lián)性的標(biāo)準(zhǔn)。

在上述的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)里，“包裝”是指由任何性質(zhì)的任何材料制成的所有產(chǎn)品，用來(lái)容納、保護(hù)、搬運(yùn)、交付和提供商品，其范圍從原材料到加工成的商品、從生產(chǎn)者到使用者或消費(fèi)者。

EN 13432 從5 個(gè)方面對(duì)可堆肥包裝提出了要求，分別是品質(zhì)特性、生物降解性、崩解及其過(guò)程中的效果、堆肥質(zhì)量、可識(shí)別性[12]。

品質(zhì)特性是指在分析檢驗(yàn)各種包裝材料之前，至少要包括驗(yàn)證材料成分的資料和鑒定、重金屬等有害物質(zhì)存在的判定、用于生物降解和崩解檢驗(yàn)的包裝材料中總干固體、揮發(fā)性固體和有機(jī)碳含量的測(cè)定值。

生物降解性是指通過(guò)檢測(cè)來(lái)證明包裝可以最終生物降解并符合EN 13432 里的判定要求，即在有氧堆肥條件下最長(zhǎng)6 個(gè)月內(nèi)必須90%以上最終轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和礦物質(zhì)。

崩解則是指包裝在生活垃圾處理過(guò)程中崩解，并符合EN 13432 給出的判定要求，即在有氧堆肥條件下最長(zhǎng)12 周內(nèi)必須瓦解成90%以上可通過(guò)最大2 mm 篩網(wǎng)的碎片，另外在處理過(guò)程中不應(yīng)出現(xiàn)任何不良效果。

堆肥質(zhì)量是指進(jìn)入生活垃圾處理的包裝不應(yīng)對(duì)最終的堆肥有不良效果。最終的堆肥應(yīng)符合歐盟或其成員國(guó)的堆肥要求，并且特選的植物在引入可堆肥降解材料的堆肥分解物質(zhì)后達(dá)到90%以上的原有成活率和生物性狀。

可識(shí)別性是指預(yù)期投入生活垃圾的包裝應(yīng)以最終用戶容易識(shí)別的方式標(biāo)示“可堆肥”或“可生物降解”。

除了EN 13432 外，歐盟標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)CEN 還發(fā)布了《EN 14995-2006 塑料.評(píng)定降解塑料可堆肥性.試驗(yàn)方案和規(guī)范》。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于可堆肥塑料的評(píng)價(jià)和EN 13432 一致[13]。

4.2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）

國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)布的《ISO 17088:2012 可堆肥塑料技術(shù)要求》建立了鑒別和標(biāo)識(shí)塑料產(chǎn)品和材料的可堆肥性。達(dá)到要求的產(chǎn)品可以標(biāo)記為“可堆肥”或“在市政或商業(yè)設(shè)施中可堆肥”或“堆肥過(guò)程中可生物分解”。ISO 從生物降解性、崩解、堆肥質(zhì)量等方面來(lái)評(píng)估可堆肥性。ISO 還發(fā)布了一系列檢測(cè)方法來(lái)支持ISO 17088 的實(shí)施，例如《ISO 148551 受控堆肥條件下材料最終需氧生物分解和崩解能力的測(cè)定 采用測(cè)定釋放的二氧化碳的方法 第一部分：通用方法》《ISO 16929 在定義堆肥化中試條件下 塑料材料崩解程度的測(cè)定》等[14]。

4.3 中國(guó)

我國(guó)開(kāi)展生物降解塑料標(biāo)準(zhǔn)化的研究相對(duì)較晚，前期主要是以國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本進(jìn)行一定的修改或直接等效[7]。隨著國(guó)內(nèi)對(duì)于可降解材料的研究，中國(guó)的可降解材料的標(biāo)準(zhǔn)體系也越發(fā)完善，不僅有針對(duì)部分材料的可降解評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方法，還有一些地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共同完善了我國(guó)可降解材料的法規(guī)體系?？蓞⒖急? 中整理的部分中國(guó)可降解材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，中國(guó)還有一些關(guān)于可降解材料的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)立項(xiàng)，正在積極的進(jìn)行中，如2019 年7 月國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃《全生物降解飲用吸管》由TC 380（全國(guó)生物基材料及降解制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)）歸口上報(bào)及執(zhí)行，主管部門(mén)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)。

表1 中國(guó)生物降解材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

4.4 美國(guó)

美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society for Testing and Materials，ASTM）是當(dāng)前世界上最大的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展機(jī)構(gòu)之一，是一個(gè)獨(dú)立的非盈利性機(jī)構(gòu)。ASTM 在官方網(wǎng)站上發(fā)文，稱“從牙刷柄和計(jì)算機(jī)鑰匙到航空部件和醫(yī)療設(shè)備，塑料已成為現(xiàn)代生活中無(wú)處不在的一部分。不幸的是，一旦塑料失效了，會(huì)發(fā)生什么，已經(jīng)成為當(dāng)今時(shí)代的一個(gè)令人困擾的問(wèn)題。根據(jù)《科學(xué)》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究，每年大約有八百萬(wàn)公噸的塑料最終進(jìn)入世界海洋”[10]。為了減輕這些問(wèn)題，ASTM 成立了可降解塑料和生物基產(chǎn)品委員會(huì)（D 20.96），該委員會(huì)塑料委員會(huì)（D 20）的一部分。該小組開(kāi)展了一系列工作，以建立生物降解性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)估可降解材料的影響[10]。除了ASTM 外，美國(guó)從事生物降解塑料標(biāo)準(zhǔn)制定、推廣和技術(shù)發(fā)展工作的生物降解制品研究所（BPI）也參與了該小組的工作，共同制定了多個(gè)美國(guó)生物降解材料的標(biāo)準(zhǔn)。見(jiàn)表2。

表2 美國(guó)生物降解材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

4.5 日本

日本生物分解塑料研究會(huì)（BPS）負(fù)責(zé)從事生物分解材料標(biāo)準(zhǔn)、推廣和技術(shù)發(fā)展工作。目前日本執(zhí)行的可控堆肥降解塑料標(biāo)準(zhǔn)就是該機(jī)構(gòu)制定的評(píng)價(jià)規(guī)范。相比EN 13432，BPS 的生物降解性能規(guī)定為：可控堆肥材料在有氧堆肥條件下必須60%轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水、礦物質(zhì)等，在生態(tài)毒理性能測(cè)試中，特選植物可達(dá)90%以上的成活率或蚯蚓達(dá)到90%的成活率[15]。

4.6 澳大利亞

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)為了規(guī)范市場(chǎng)中的可控堆肥降解制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中AS 4736《生物降解塑料—適合堆肥化或者其他生物處理方式的生物降解塑料》在EN 13432 的基礎(chǔ)上，在生態(tài)毒性部分增加了蚯蚓的生態(tài)毒理檢測(cè)[15]。

綜上可見(jiàn)，生物降解材料作為一種新型的環(huán)境友好型材料，無(wú)論是從環(huán)境保護(hù)還是開(kāi)發(fā)利用的角度，都符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。隨著生物降解材料全球各國(guó)評(píng)價(jià)體系的完善以及研發(fā)力量的投入，其發(fā)展將有很好的應(yīng)用前景。