可生物降解塑料袋膜在土壤中降解的納米尺度特征

周 倩,張 峻,孟 竺,馬紹峰,陳建騰,祝鵬烽,張道勇,潘響亮

(浙江工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院/ 浙江省工業(yè)污染微生物控制技術(shù)重點實驗室,浙江 杭州 310014)

微塑料作為新污染物,普遍存在于土壤、水體和大氣等不同環(huán)境介質(zhì)中,給生物體乃至人體帶來不可忽視的健康風(fēng)險[1-3]。目前,土壤傳統(tǒng)微塑料,如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS),因豐度高、類型多,易影響農(nóng)作物產(chǎn)品安全,已受到全球重點關(guān)注[4-5]。據(jù)估計,陸地區(qū)域微塑料污染豐度比海洋高4～23倍[6]。土壤中微塑料的來源復(fù)雜,主要包括污水灌溉[7]、污泥和有機(jī)肥施用[8]、覆膜老化殘留[9]、地表徑流[10]以及大氣沉降[11]等。有研究顯示,在微塑料污染程度較高的設(shè)施農(nóng)田土壤中,微塑料豐度可高達(dá)42 960個·kg-1[12]。

為解決傳統(tǒng)塑料污染問題,可生物降解塑料(BDP)逐漸應(yīng)用到日常生產(chǎn)與生活中,其中,聚乳酸(PLA)和聚己二酸-對苯二甲酸丁二酯(PBAT)是目前市場應(yīng)用最廣泛的兩種可生物降解材料。PLA由于具有良好的物理力學(xué)性能,可通過吹塑、模壓和擠出等成型工藝單獨或與天然植物纖維復(fù)合制備,廣泛用作包裝和農(nóng)田覆膜等材料[13-14]。因此,PLA或PLA基復(fù)合材料已經(jīng)成為生物可降解高分子樹脂及其復(fù)合材料的開發(fā)及利用研究的熱點[15]。然而,有研究報道,與傳統(tǒng)塑料相比,BDP在老化過程中可能會產(chǎn)生更多的微塑料[16-18]。例如,1 cm×1 cm尺寸PLA塑料膜老化112 d時能向1 mL水體釋放61 750個微/納塑料顆粒(2～60 μm),顯著高于PP(46 270個)和PE(39 619個)等傳統(tǒng)塑料[16]。BDP在自然環(huán)境中被完全降解為二氧化碳和水的過程極其緩慢,有研究顯示,PLA塑料樣品在自然土壤中老化12個月后,質(zhì)量損失率僅為0.23%[19]。PLA老化形成的微塑料能在土壤中大量積累,可能會直接或間接影響土壤功能和微生物群落結(jié)構(gòu)[20]。因此,研究BDP在土壤環(huán)境中的老化降解過程具有重要意義。

BDP老化降解過程主要與微生物作用有關(guān)。與PE、PP和PS等傳統(tǒng)塑料相比,BDP含有活性化學(xué)官能團(tuán),如酯、羧基和羥基等,易被微生物代謝利用[21],從而發(fā)生老化降解。此外,土壤溫度、氧氣和化學(xué)成分等非生物因子也會直接或間接加速BDP降解過程[22-23]。例如,高溫能使PLA熱氧化導(dǎo)致其分子鏈發(fā)生斷裂[24]。目前,在全球氣溫不斷升高的背景下,土壤溫度亦增加[25]。但在該情景下,對BDP老化降解過程和破碎潛勢的研究尚不足。目前BDP老化降解指標(biāo)及其表征方法主要包括基于稱重法獲得的質(zhì)量變化[26]、基于凝膠滲透色譜法獲得的相對分子質(zhì)量改變[26]以及基于差示掃描量熱法和動態(tài)力學(xué)分析獲得的熱力學(xué)性能差異(如抗拉強度損失率)[24];此外,在BDP表面變化表征上,主要包括形貌結(jié)構(gòu)(掃描電子顯微成像)、官能團(tuán)(傅里葉紅外光譜法)和親疏水性分析等[24,27-28]。然而,采用這些研究方法無法精準(zhǔn)獲得BDP在微/納空間尺度上的老化過程及趨勢,BDP老化降解過程的納米尺度表征對BDP破碎化過程及微/納塑料形成潛勢的研究具有重要意義。

目前有關(guān)微塑料老化的納米尺度表征方法主要有基于原子力顯微鏡(AFM)的納米紅外光譜(nanoIR)、熱重(TGA)和洛倫茲接觸共振(LCR)[29],nanoIR可以在納米空間尺度上獲得微塑料表面官能團(tuán)信息,并結(jié)合AFM成像獲得目標(biāo)官能團(tuán)的微區(qū)分布特征,通過官能團(tuán)的組成和分布變化分析微塑料老化過程[30];此外,納米熱分析(nano-TA)可通過納米熱探針獲得微塑料表面玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及其在納米尺度上的差異,LCR主要用來測量微塑料表面剛性變化,根據(jù)獲得的微塑料表面微區(qū)熱力學(xué)特征推測微塑料老化降解過程。

因此,以含PLA成分的購物袋來源微塑料為例,開展室內(nèi)土壤環(huán)境原位老化試驗,采用AFM結(jié)合nanoIR、TGA和LCR等方法,從納米層面分析PLA微塑料降解過程及其特征。研究結(jié)果能為可生物降解材料破碎化潛勢及環(huán)境風(fēng)險評估提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料準(zhǔn)備

微塑料樣品:PLA商品購物袋購買自杭州某商場,用剪刀將塑料袋剪成5 mm×5 mm的塑料片,用φ=75%乙醇溶液清洗消毒,并用去離子水清洗殘留的乙醇溶液,放入超凈臺內(nèi)干燥,備用。

土壤樣品:從浙江工業(yè)大學(xué)校園草坪采集自然土壤樣本(采集點位坐標(biāo):30.559 342 9° N、120.043 266 0° E),稱取500 g土壤置于預(yù)先洗凈的玻璃燒杯中,加入去離子水控制土壤質(zhì)量含水率w約為70%。

1.2 試驗設(shè)計與樣品收集

將準(zhǔn)備好的PLA微塑料片(約20片)均勻分散在土壤表層以下2 cm處,并用表面皿覆蓋燒杯口。試驗共設(shè)置2個土壤溫度梯度,一組放置在室溫環(huán)境(25 ℃)中,另一組放置在高溫環(huán)境(50 ℃)中以模擬極端高溫地面環(huán)境,其他環(huán)境條件一致。分別在老化7和14 d時取樣。將取出的微塑料用酒精棉球輕輕擦拭以去除微塑料表面附著的土壤黏粒,然后再將微塑料放入w=30%的H2O2溶液中消解12 h以進(jìn)一步去除微塑料表面附著的有機(jī)物(未老化對照組塑料樣品也做相同處理),最后用去離子水清洗表面,放入超凈臺中風(fēng)干。

1.3 微塑料樣品降解特征分析

1.3.1微塑料表面超微形貌結(jié)構(gòu)與納米紅外光譜成像

采用nanoIR2 AFM-IR儀(nanoIR2,Anasys Instruments,美國)獲得不同老化時間的微塑料表面納米尺度上超微形貌結(jié)構(gòu)和化學(xué)官能團(tuán)信息。將微塑料樣品粘在直徑2 cm的圓形鐵片上,置于磁鐵樣品架上,采用NIR2探針(PR-EX-NIR2)以接觸模式獲得微塑料表面超微形貌結(jié)構(gòu),接觸模式掃描速率為0.3 Hz,分辨率為300 pt。在對樣品進(jìn)行納米紅外光譜測試前,采用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜儀(ATR-FTIR,Spotlight 400,Perkin-Elmer,美國)預(yù)先獲得樣品表面官能團(tuán)類型和出峰位置,光譜分辨率為16 cm-1,波長范圍為750～4 000 cm-1,然后采用NIR2探針獲得微塑料表面目標(biāo)點的紅外光譜信號以進(jìn)一步原位定點分析官能團(tuán)信息,懸臂頻率為192.26 kHz,寬度為50 kHz,紅外光譜波數(shù)收集范圍為910～3 600 cm-1,光譜分辨率為4 cm-1。根據(jù)獲得的紅外光譜數(shù)據(jù),選擇特定紅外吸收峰進(jìn)行官能團(tuán)成像,掃描速率為0.1 Hz,采集次數(shù)為16次。采用Analysis Studio 3.15(Anasys Instruments,美國)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析。

1.3.2洛倫茲接觸共振測試

洛倫茲接觸共振(LCR)測試是通過測量探針與樣品之間的接觸剛度,在納米尺度上分析樣品的機(jī)械性能信息。首先,運用原子力顯微鏡掃描樣品表面高度,然后運用懸臂長為300 μm的U型ThermaLever探針(EXP-AN2-300)測試目標(biāo)區(qū)域以獲取納米機(jī)械譜圖。譜圖頻率測試范圍為50～1 000 kHz,掃描速率為100 kHz·s-1,根據(jù)獲得的納米機(jī)械譜圖的差異,分析不同老化處理的微塑料表面納米尺度上的機(jī)械性能差異。一般地,獲得的機(jī)械譜圖中第1個峰(第1彎曲共振模式)對剛度最敏感,且材料越軟,該峰的頻率越低[29]。根據(jù)頻率差異,選擇需要分析的目標(biāo)峰所在的頻率,以接觸共振模式驅(qū)動懸臂獲得樣品表面目標(biāo)區(qū)域的機(jī)械圖像。

1.3.3納米熱分析

采用nanoIR2 AFM-IR儀以nano-TA模式對樣品進(jìn)行局部熱分析。通過加熱探針,記錄懸臂彎曲程度,獲得偏轉(zhuǎn)信號與加熱電壓的熱分析跡線圖,根據(jù)信號變化,獲得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。先測量聚合物校準(zhǔn)樣品聚己內(nèi)酯(55 ℃)、PE(116 ℃)和聚對苯二甲酸乙二酯(235 ℃)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以獲得校準(zhǔn)曲線,并采用AFM獲得目標(biāo)區(qū)域形貌圖像,根據(jù)圖像凹凸分布定位測試點,在每個目標(biāo)區(qū)域選擇3個以上的點進(jìn)行測試,探針加熱速度為5 ℃·s-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理與圖像分析

采用Microsoft Excel 2013整理和分析數(shù)據(jù),采用Origin Pro繪制和處理紅外光譜和機(jī)械頻譜,采用SPSS 20單因素方差分析(one-way ANOVA)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析,采用Analysis Studio 3.15處理納米紅外光譜和LCR圖像。

2 結(jié)果與討論

2.1 PLA微塑料表面超微形貌結(jié)構(gòu)變化

高分子聚合物材料在老化降解過程中,表面形貌易發(fā)生改變。AFM形貌圖(圖1)顯示,未老化PLA微塑料表面平坦光滑,而老化PLA表面凹凸不平,形貌變得粗糙,且隨著老化時間增加,粗糙程度逐漸加重。在常溫土壤環(huán)境條件下,老化PLA表面算數(shù)平均粗糙度(Ra)、均方根平均粗糙度(RMS)和高程差(Rma)均高于未老化樣品,且老化14 d處理PLA表面粗糙度(Ra為122.45 nm,RMS為161.34 nm)高于老化7 d處理(Ra為110.90 nm,RMS為135.76 nm),在高溫條件下也出現(xiàn)類似現(xiàn)象(表1);且與常溫相比,高溫條件下PLA微塑料表面粗糙度變化更快,表明高溫土壤環(huán)境下PLA表面破碎化更快,溫度對PLA老化降解的影響可能更大。PLA主要特征是熱不穩(wěn)定性,有研究表明,高溫易引起PLA化學(xué)鍵斷裂和化學(xué)結(jié)構(gòu)變化[31],從而導(dǎo)致高溫環(huán)境下PLA表面粗糙度增加。

表1 不同土壤溫度條件下PLA微塑料表面粗糙度隨老化時間的變化過程

CK為未老化處理;RT和HT分別為常溫(25 ℃)和高溫(50 ℃)環(huán)境;7和14表示老化時間分別為7和14 d。區(qū)域面積為10 μm×10 μm。

2.2 PLA微塑料表面官能團(tuán)組成及其微空間分布

a～e為C—O官能團(tuán)(1 006 cm-1處);f～j為CO官能團(tuán)(1 720 cm-1處)。CK為未老化處理;RT和HT分別為常溫(25 ℃)和高溫(50 ℃)環(huán)境;7和14表示老化時間分別為7和14 d。區(qū)域面積為10 μm×10 μm。

2.3 PLA微塑料表面納米尺度的機(jī)械性能及其微空間分布變化

為了探究PLA微塑料老化過程中的納米機(jī)械性能變化,對不同處理樣品進(jìn)行洛倫茲接觸共振測量。機(jī)械譜圖可用于解釋機(jī)械強度變化,不同溫度條件下PLA老化前后的機(jī)械譜圖和AFM形貌偏差圖見圖4。為保證測試結(jié)果準(zhǔn)確性,每個測試樣品表面隨機(jī)選取3個位點進(jìn)行測試。在50～1 000 kHz的頻率區(qū)間內(nèi),未老化PLA樣品存在4個共振頻率,分別約為216、399、723和814 kHz,其中第1振動頻率峰通常作為剛性分析的依據(jù)[29,38],材料表面剛性差異將會引起共振頻率差異,高共振頻率表示該點位剛性大,低共振頻率表示剛性小。常溫土壤環(huán)境老化7和14 d處理PLA表面第1振動頻率分別在230和290 kHz附近,總體表現(xiàn)為14 d>7 d>對照,表明老化PLA表面剛性增加。高溫土壤環(huán)境中,老化7 d處理PLA表面第1振動頻率比常溫環(huán)境更高(圖4b和d),表明PLA出現(xiàn)剛性更強的表面。但老化14 d時,高溫環(huán)境中老化PLA表面測試點位第1振動頻率差異較大,且出現(xiàn)降低趨勢(圖4c和e)。

CK為未老化處理;RT和HT分別為常溫(25 ℃)和高溫(50 ℃)環(huán)境;7和14表示老化時間分別為7和14 d。不同顏色譜圖對應(yīng)相應(yīng)顏色點位。原子力顯微鏡成像的樣品表面形貌偏差圖區(qū)域面積為10 μm×10 μm。

為進(jìn)一步證實PLA老化過程中機(jī)械性能變化趨勢,提高測試結(jié)果準(zhǔn)確性,對不同老化時間PLA第1振動頻率進(jìn)行空間成像分析(圖5)。選取對照第1振動頻率相應(yīng)位置(216 kHz,代表剛性較低的表面)進(jìn)行空間成像,以分析PLA表面軟硬分布隨老化時間的變化。在常溫老化組中,216 kHz在未老化PLA表面信號最強,隨老化時間增加而減弱(圖5a～c),且信號分布區(qū)域面積比例減少(由未老化的52.6%下降至老化14 d的42.5%),表明PLA表面剛性發(fā)生變化,結(jié)合機(jī)械譜圖(圖4)可知,常溫環(huán)境PLA表面剛性隨老化時間(14 d內(nèi))增加而變大。而在高溫老化組中,與未老化樣品相比,老化7 d處理PLA表面216 kHz信號減弱(圖5d),區(qū)域分布面積比例(37.6%)減少。可見,老化使PLA表面剛性增加,變硬變脆,這可能與表面應(yīng)力發(fā)生改變有關(guān)[37],變硬變脆的PLA在環(huán)境中更易發(fā)生斷鏈現(xiàn)象;此外,表面斷鏈能產(chǎn)生更多短鏈結(jié)構(gòu),較短的鏈具有較高的遷移率,有利于鏈段以較低的能量排列重組成晶體結(jié)構(gòu),因而可能會導(dǎo)致結(jié)晶度增加,剛性增強,從而進(jìn)一步加速塑料老化[24,38]。在老化7 d時,與常溫環(huán)境相比,高溫環(huán)境下PLA變硬程度更明顯,表明溫度對PLA老化過程中的剛性影響較大,且PLA表面剛性增加將進(jìn)一步加速其破碎化[38-39]。這與在兩種溫度環(huán)境中PLA粗糙度隨老化時間增加的變化趨勢相一致。然而,與老化7 d處理相比,老化14 d處理PLA表面216 kHz頻率信號增強且區(qū)域分布面積比例增加(面積占比為49.7%)(圖5e),表明PLA表面部分區(qū)域剛性逐漸趨同于未老化樣品,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于在高溫老化14 d時,PLA老化表面發(fā)生破碎化,導(dǎo)致老化面剝落,露出新的PLA表面。

CK為未老化處理;RT和HT分別為常溫(25 ℃)和高溫(50 ℃)環(huán)境;7和14表示老化時間分別為7和14 d。區(qū)域面積為10 μm×10 μm。

2.4 PLA微塑料表面納米尺度的熱學(xué)性能變化

微塑料老化會引起熱學(xué)性能改變[40],為了探究PLA購物袋源微塑料在老化過程中的納米層面熱性能變化與差異,采用nanoIR2系統(tǒng)AFM-TA模式進(jìn)行PLA表面熱軌跡分析。首先,隨機(jī)選取PLA樣品表面6個點位,通過nano-TA測量獲得偏轉(zhuǎn)信號與加熱溫度的曲線圖,根據(jù)曲線圖變化獲得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。如圖6所示,未老化PLA樣品表面玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為(72.3±4.9) ℃,老化7 d時,PLA表面理化性能發(fā)生變化,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度上升。其中,常溫環(huán)境下玻璃化轉(zhuǎn)變溫度上升至(114.2±3.8) ℃,高溫環(huán)境下上升至(110.1±18.5) ℃,且兩種溫度條件下老化微塑料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與未老化對照具有顯著差異(P<0.05),表明老化PLA耐高溫性能顯著增強。然而,老化14 d時,尤其是高溫條件下,PLA玻璃化轉(zhuǎn)變溫度〔(87.4±15.0) ℃〕下降。影響微塑料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的因素很多,通常地,高分子聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與剛性密切相關(guān),分子鏈剛性越大,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越高[29]。筆者研究中PLA表面玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與剛性變化趨勢一致。PLA表面剛性在老化7 d時增強,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也隨之升高;而老化14 d時,高溫環(huán)境下PLA表面剛性隨之降低,且空間分布不均,這也解釋了該處理PLA表面玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低且空間差異較大的現(xiàn)象。環(huán)境中的塑料或微塑料表面在老化過程中首先會發(fā)生破碎化,引起老化表面剝落,導(dǎo)致塑料變薄[41]。

上、中和下圖分別表示未老化PLA的熱分析跡線、AFM形貌高程圖和形貌偏差圖。CK為未老化處理;RT和HT分別為常溫(25 ℃)和高溫(50 ℃)環(huán)境;7和14表示老化時間分別為7和14 d。AFM形貌高程圖和形貌偏差圖區(qū)域面積均為5 μm×5 μm。

因此,老化14 d處理PLA表面玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和剛性下降且空間分布不均的原因可能與PLA老化后表面剝落裸露出新表面有關(guān),這也進(jìn)一步表明PLA在土壤環(huán)境中的老化降解過程可能釋放微/納塑料顆粒。未來應(yīng)進(jìn)一步對PLA老化釋放到土壤環(huán)境中的納米塑料顆粒開展量化研究,并分析其環(huán)境行為。

3 結(jié)論