改性胶原蛋白施胶剂、AKD和SAE的生物降解性评价

王学川潘 博张 莎任龙芳张素风孙思薇

(1.陕西科技大学轻化工助剂化学与技术省部共建教育部重点实验室，陕西西安，710021; 2.陕西科技大学陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安，710021)

·生物降解性·

改性胶原蛋白施胶剂、AKD和SAE的生物降解性评价

王学川1潘 博1张 莎1任龙芳1张素风2孙思薇1

(1.陕西科技大学轻化工助剂化学与技术省部共建教育部重点实验室，陕西西安，710021; 2.陕西科技大学陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安，710021)

采用BOD5/CODCr和OECD－301B两种方法对改性胶原蛋白施胶剂 (MCSA)的生物降解性进行研究，并与常规施胶剂烷基烯酮二聚物 (AKD)和苯乙烯－丙烯酸酯共聚物 (SAE)的生物降解性进行评价与对比。结果表明，MCSA、AKD和SAE的BOD5/CODCr分别为0.32、0.28和0.21，分别属于可降解物质、降解性差物质和难降解或不可降解物质;采用OECD－301B法，第28天的生物降解性指数 (IB)分别为102.55%、95.63%和92.11%，分别属于可降解物质、难降解物质和难降解物质。两种方法得出的结论一致，其生物降解能力由大至小依次为MCSA＞AKD＞SAE;同时探讨了分子结构与生物降解性的关系，MCSA与SAE分子中同样具有苯结构，但MCSA具有极性强、生物亲和能力好的特点，所以MCSA降解性较好。分析结果表明化学品的结构对其生物降解性的影响需综合考察。

改性胶原蛋白施胶剂;构效关系;生物降解性

施胶是造纸过程中的一项关键技术，通过施胶可以提高纸和纸板的表面强度，防止水质液体的扩散和渗透。常用的施胶剂按其来源可分为合成类施胶剂和生物质类施胶剂。其中，合成类施胶剂大多价格昂贵，不易生物降解，所以，近年来人们把目光投向具有永续性、多样性、环境友好性和对人类的亲和性等特征的生物质类施胶剂的研发［1］。此外，在制革领域，我国每年产生140多万t的皮革固体废弃物［2］，在这些废弃物中除少量的非胶原蛋白外，大约80%以上都是由胶原蛋白构成的［3］。从皮革固体废弃物中提取胶原蛋白，并对其改性，制成的改性胶原蛋白造纸施胶剂弥补了造纸行业资源紧缺的短板，拥有广阔的市场前景。

随着环境问题的日益加重，如何合成生物降解性能好的绿色化学品，成为化工合成领域研究的目标。化学品生物降解性评价方法有很多种，BOD5/CODCr法是最为传统和基础的方法。此外，目前国际上普遍采用经济合作与发展组织 (OECD)的六种经典快速生物降解性测试方法［4］。2008年，欧盟将这六种方法写入《关于化学品注册、评估、许可与限制(REACH)法规》和 EC:440/2008法规的C.4部分［5］，要求进口到欧盟成员国的化学品提交这些测试数据［6］，OECD－301B就是其中一种。

本课题采用BOD5/CODCr、OECD－301B两种方法，分别对改性胶原蛋白施胶剂 (MCSA)以及市场上较为普遍的烷基烯酮二聚物 (AKD)、苯乙烯－丙烯酸酯共聚物 (SAE)这3种施胶剂进行生物降解性研究分析和评价。

1 实验

1.1 实验材料与仪器

接种物:接种活性污泥取自西安市第五污水处理厂二沉池进水。

试剂:MCSA、AKD、SAE(西安市蔡伦造纸厂提供)，醋酸钠、重铬酸钾、硫酸亚铁铵等均为分析纯。

仪器:LRH－250F生化培养箱，Sartorius BS系列精密电子天平，LiquiTOCⅡ测定仪，DZ－2BC电子万用炉，ACO－003曝气泵，Anke TDL－40B高速离心机，Senlod LZB－3气体流量计，磁力搅拌器。

1.2 实验方法

1.2.1 BOD5/CODCr法

BOD5采用 HJ 505—2009法测定［7］，CODCr采用 GB 11914—1989重铬酸钾法测定［8］。

1.2.2 OECD－301B法 (PCD法，Production of Carbon Dioxide)

BOD5/CODCr法是测试生物降解性最为传统的方法，但其操作构成繁琐且误差较大。OECD－301B法更为精确，避免了硝化作用、微生物吸附作用和无机还原性物质对测试的影响。因此，采用OECD－301B法对3种施胶剂的生物降解性进行研究，并与BOD5/CODCr法进行对比。

1.2.2.1 实验反应器

OECD－301B法生物反应器［9］示意图见图1，整个反应器由4部分组成，分别为:

(1)洗气。使用NaOH溶液吸收进气中的CO2，然后用Ba(OH)2溶液检验CO2是否除尽，再用蒸馏水洗去气体中所带有的微量NaOH和Ba(OH)2。

(2)均气。使用空瓶保证气流稳定，同时向各生物反应瓶均匀分配气体流量。

(3)生物反应。受试物的活性污泥降解反应。

(4)吸气。使用Ba(OH)2溶液吸收降解过程中产生的CO2。

1.2.2.2 接种物及化学试剂

(1)接种物。接种活性污泥经细纱布过滤去除大颗粒杂质，用实验培养基清洗，最后使用实验培养基连续曝气培养5天，使用前空曝24 h，以降低活性污泥中初始碳含量，并测定活性污泥总固形物含量(MLSS)为3.68 g/L。

(2)实验培养基［10］。

①磷酸缓冲液:称取8.50 g的H3PO4、33.40 g的NaHPO4·2H2O、1.75 g的 K2HPO4和 0.5 g的NH4Cl，用蒸馏水溶解，定容至1 L，pH值为7.4。

②氯化钙溶液:称取36.40 g的CaCl2·2H2O，用蒸馏水溶解，定容至1 L。

③硫酸镁溶液:称取22.50 g的MgSO4·7H2O，用蒸馏水溶解，定容至1 L。

图1 生物降解性实验装置示意图

④氯化铁溶液:称取0.25 g的FeCl3·6H2O，用蒸馏水溶解，定容至1 L。

实验培养基为:取磷酸缓冲液10 mL，氯化钙溶液、硫酸镁溶液、氯化铁溶液各1 mL，用蒸馏水定容至1 L。

(3)标准参比物。实验用标准参比物为易生物降解的醋酸钠，其降解极限可达到100%。

(4)吸收碱液。吸收CO2气体的Ba(OH)2溶液浓度为0.025 mol/L左右，具体浓度以每次加入前滴定为准。

1.2.2.3 实验内容

OECD－301B法测定一个化学品的生物降解性，一般要设计4个实验组。但不同受试物降解程度和速率不同，其CO2产生量也各有差异，使得配制吸收碱液的浓度不好把握，需进行多次尝试。

(1)生化反应组。设计3个平行实验，每个反应瓶中包含培养基、受试物和接种物。

(2)标准参比组。设计1个反应瓶，瓶中包含培养基、接种物和参比物醋酸钠。

(3)内源呼吸组。设计1个反应瓶，瓶中包含培养基和接种物。

(4)空白对照组。设计1个反应瓶，瓶中包含蒸馏水和培养基。

为保证整个反应器中受试物、参比物为唯一碳源。曝气泵鼓入空气，以盛有1 L 10 mol/L的3个串联的NaOH溶液瓶洗去空气中的CO2，随后用盛有1 L 0.25 mol/L的1个Ba(OH)2溶液瓶检验CO2气体是否被除尽。经蒸馏水瓶洗去气流中的碱液，空瓶均气，随后通过空气流量计 (流量控制在300 mL/min)将气流均分给6个生物反应瓶。生物反应瓶采用5 L广口玻璃瓶，橡胶盖密封，受试物和参比物在瓶中的总有机碳 (TOC)浓度为20 mg/L(受试物TOC数据见表1)，接种活性污泥浓度为30 mg/L。避光或弱光条件下，连续反应28天。

表1 3种施胶剂的TOC值

生化反应过程中产生的CO2气体用0.025 mol/L左右的Ba(OH)2溶液吸收 (具体浓度以每次加入反应器前滴定为准)，每个生物反应瓶串接3个吸收瓶，每隔1天取下与生物反应瓶直接相连的吸收瓶，进行滴定。

2 结果与讨论

2.1 BOD5/CODCr法

实验测得邻苯二甲酸氢钾的 CODCr为490.33 mg/L，其理论 CODCr为 500 mg/L，因为 COD测定/ COD理论＞96%，所以所测数据满足要求。其参考标准和结果分别见表2［9］、表3。

表2 废水生物降解性评价指标

表3 3种表面施胶剂的BOD5/CODCr值

由表2、表3数据可以看出，MCSA是可生物降解物质，AKD为降解性差物质，而SAE为难降解或不可降解物质。

2.2 OECD－301B法 (PCD法)

化学品生物降解生成的CO2量与生物降解时间的关系，一般有3种情况，如图2所示［9］。

图2 有机物生物降解过程中几种典型的PCD曲线示意图

从图2可看出，不同受试物的PCD曲线不同，受试物a不需要驯化过程，生物降解速率和生物降解程度较大，PCD曲线与横坐标之间的面积也较大;受试物b需有一个驯化过程，它的反应速率和生物降解程度较小，PCD曲线与横坐标之间的面积也较小;受试物c不但不发生生物降解作用反而对接种物具有毒性，其PCD曲线位于接种物PCD曲线 (内源呼吸线)之下且PCD曲线与横坐标之间的面积最小，表明其难以生物降解。由此可见，PCD曲线与横坐标之间的面积可以表征化学品生物降解性的大小。因此，在CO2测试法中，有机物的生物降解性能可采用生物降解性指数 (IB)表示［11］。

式中，As为受试物PCD曲线与横坐标之间的面积;Ao为接种物内源呼吸PCD曲线与横坐标之间的面积。

根据受试有机物的IB值可把有机物的生物降解性划分如下:IB≥200%易生物降解;100%≤IB＜200%可生物降解;IB＜100%难生物降解。

实验所测施胶剂、醋酸钠及内源呼吸的PCD曲线如图3所示，其积分面积和生物降解指数见表4。

图3 受试物PCD曲线

表4 受试物的生物降解性能

由图3及表4可知，标准物质醋酸钠在开始就很快降解，其IB为178.99%，接近200%，验证了醋酸钠是一种易降解的物质，表明实验过程中接种物活性污泥具有很好的活性，进而验证了实验的有效性。

在刚开始5天各物质的CO2生成量较少且基本相同，图形呈直线且相互叠合在一起，其原因为前5天使用的吸收碱液浓度为0.0125 mol/L，浓度过小，易吸收饱和，导致生化反应产生的CO2未被完全吸收;5天之后曲线变化显著，6～12天，MCSA、SAE和AKD的PCD曲线一直位于内源呼吸线以下，表明其对微生物生长具有一定的抑制作用，使微生物的活性降低;12天之后MCSA的PCD曲线和21天之后AKD的PCD曲线都位于内源呼吸线以上，表明活性污泥经过一定时期的驯化后，可将这两种施胶剂分解为能被呼吸利用的小分子物质;SAE的PCD曲线一直位于内源呼吸线以下，表明该物质具有一定的毒性，难于生物降解，这也与它的含苯结构有关。

由Origin7.5分别求其曲线积分，其中MCSA的IB为102.55%大于100%，根据受试物的生物降解性评价指标可知，是可生物降解的，而SAE和AKD的IB都小于100%，都属于难生物降解物质。

2.3 3种施胶剂的生物降解性与分子结构的关系

2.3.1 MCSA的生物降解性与分子结构的关系

高聚物的官能团与其生物降解性能有着直接的关系，一般认为，可生物降解性有如下规律:脂肪族酯键、肽键＞氨基甲酸酯 ＞脂肪族醚键 ＞亚甲基［12］。MCSA是生物质材料的改性产物，具有良好的生物亲和能力，其结构式如图4。由图4可知，MCSA的分子结构中含有大量的脂肪族酯键和肽键，这些官能团是潜在的水解键，对水解酶有很好的敏感性;同时MCSA分子极性较强，有很好的水溶性，利于微生物对其分解。通过OECD－301B法实验结果可知，虽然MCSA分子结构中含有苯结构，对微生物生长有一定抑制作用，但以其良好的极性和生物亲和能力，微生物经过一定时间的适应驯化，可以将其分解成小分子物质用于自身的代谢。

2.3.2 AKD的生物降解性与分子结构的关系

在影响化学品可生物降解性的参数中，疏水性也是十分关键的。疏水性愈强愈难降解［13］。AKD的分子结构见图5，结构式中的R1或R2为烷基，变更不同的烷基可以得到一系列的烷基烯酮二聚体，但适于造纸中性施胶的是14烷和16烷［14］。AKD的含氧环结构不利于微生物的利用，同时在水环境下，AKD可发生水解，然后脱羧基 (见图6)［15］，水解后脱羧基的终产物是一个碳原子数在C30左右的高级酮。常温下，C12以下的酮是液体，高级酮为固体。虽然水解后所得的酮毒性小，但物理性能特殊，在生理温度下呈固态，不利于其生物降解。

图4 MCSA结构图

图5 AKD分子结构图

图6 AKD分子水解及脱羧基

图7 SAE分子结构图

2.3.3 SAE的生物降解性与分子结构的关系

SAE的分子结构如图7所示，其中R1为丙烯酸或阳离子单体，R2为烷基。SAE不易水解，因此基本消除假施胶现象，其成膜性优于苯乙烯－马来酸酐，抗水性好于苯乙烯丙烯酸盐共聚物［16］。SAE的特征官能团为苯环和脂肪族酯键，脂肪族酯键对一些酯解酶有很高敏感性，易于生物降解，而含苯结构一般对微生物产生一定的毒性作用。所以，SAE的生物降解性需要综合考虑，通过OECD－301B法实验结果可以看出，SAE对微生物有很高的毒性。SAE的含苯结构影响了它的可生化性。

一般而言，相对分子质量小的物质更容易生物降解［17］。但是通过对比MCSA与AKD的分子结构和生物降解性可知，AKD虽然相对分子质量远远小于MCSA，且结构简单，但其分子极性和生物亲和能力不如MCSA，导致AKD比MCSA降解性稍差。所以，化学品的结构对其可生化性的影响，需要综合考察。而基于生物质材料改性的化学品不仅具有良好的生物亲和能力，而且其降解性也优于其他合成的化学品，因此，具有广阔的应用前景。

3 结论

采用BOD5/CODCr与OECD－301B两种方法分别对改性胶原蛋白胶施剂 (MCSA)以及市场上普遍使用的烷基烯酮二聚物 (AKD)、苯乙烯－丙烯酸酯共聚物(SAE)这3种施胶剂进行生物降解性研究分析和评价。

3.1 通过BOD5/CODCr法对MCSA、AKD、SAE的生物降解性进行分析。MCSA的BOD5/CODCr为0.32，属可降解性物质;AKD的BOD5/CODCr为0.28，属降解性差物质;SAE的BOD5/CODCr为0.21，属难降解或不可降解物质。由此可得出3种施胶剂的生物降解性依次为:MCSA＞AKD＞SAE。

3.2 通过OECD－301B法对MCSA、AKD、SAE的生物降解性进行分析。MCSA的生物降解性指数 (IB)值为102.55%，属可生物降解物质;AKD与SAE的IB值分别为95.63%、92.11%，均属难生物降解物质，但通过对其PCD曲线进行对比，活性污泥驯化21天后，AKD的PCD曲线高过内源呼吸线，表明微生物经过适应，可以对AKD进行降解，而SAE则不可以。由此可得出3种施胶剂的生物降解性依次为: MCSA＞AKD＞SAE。这与BOD5/CODCr法的测定结果一致。

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(责任编辑:常 青)

Evaluation of the Biodegradabilities of M odified Collagen Surface Sizing Agent，AKD and SAE

WANG Xue－chuan1，*PAN Bo1ZHANG Sha1REN Long－fang1ZHANG Su－feng2SUN Si－wei1
(1.Key Lab of Chemistry and Technology for Light Chemical Industry，Ministry of Education，Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an，Shaanxi Province，710021; 2.Shaanxi University of Science and Technology，Shaanxi Province Key Lab of Papermaking Technology
and Specialty Paper，Xi'an，Shaanxi Province，710021)
(*E－mail:wxc－mail@163.com)

The biodegradability ofmodified collagen sizing agent(MCSA)was evaluated by themethods of BOD5/CODCrand OECD－301B，and its biodegradability was compared with that of alkyl ketene dimer(AKD)and styrene－acrylic ester copolymer(SAE)which were commercial products.The results showed that the BOD5/CODCrvalues of MCSA，AKD and SAE were 0.32，0.28 and 0.21，respectively，they belonged to biodegradablematerial，poor biodegradablematerial and recalcitrant biodegradable or non－biodegradablematerial，respectively.On the other hand，their biodegradation index IBwere 102.55%，95.63%and 92.11%，respectively on 28thday，which showed thatMCSA was biodegradablematerial while AKD and SAE were recalcitrant biodegradable materials.The experimental results obtained by the two methods were consistent.The biodegradation trends were:MCSA＞AKD＞SAE.Meanwhile，the relationship between molecular structure and biodegradability was studied.There were benzene structures in MCSA and SAEmolecules，butMCSA had strongmolecular polarity and excellent biological affinity.So MCSA had better degradability.It indicated that it is necessary to comprehensively consider the effect of chemical structure on the biodegradability.

modified collagen sizing agent，structure－activity relationship，biodegradability

王学川先生，博士，教授;主要从事绿色轻纺助剂和清洁技术的研究与教学工作。

TS727+.5

A

0254－508X(2014)03－0011－06

2013－12－13(修改稿)

国家自然基金项目 (21076120);国家高技术研究发展计划 (863计划)(2011AA06A108);陕西科技大学研究生创新基金。