可生物降解塑料袋膜在土壤中降解的纳米尺度特征

周 倩,张 峻,孟 竺,马绍峰,陈建腾,祝鹏烽,张道勇,潘响亮

(浙江工业大学环境学院/ 浙江省工业污染微生物控制技术重点实验室,浙江 杭州 310014)

微塑料作为新污染物,普遍存在于土壤、水体和大气等不同环境介质中,给生物体乃至人体带来不可忽视的健康风险[1-3]。目前,土壤传统微塑料,如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS),因丰度高、类型多,易影响农作物产品安全,已受到全球重点关注[4-5]。据估计,陆地区域微塑料污染丰度比海洋高4～23倍[6]。土壤中微塑料的来源复杂,主要包括污水灌溉[7]、污泥和有机肥施用[8]、覆膜老化残留[9]、地表径流[10]以及大气沉降[11]等。有研究显示,在微塑料污染程度较高的设施农田土壤中,微塑料丰度可高达42 960个·kg-1[12]。

为解决传统塑料污染问题,可生物降解塑料(BDP)逐渐应用到日常生产与生活中,其中,聚乳酸(PLA)和聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)是目前市场应用最广泛的两种可生物降解材料。PLA由于具有良好的物理力学性能,可通过吹塑、模压和挤出等成型工艺单独或与天然植物纤维复合制备,广泛用作包装和农田覆膜等材料[13-14]。因此,PLA或PLA基复合材料已经成为生物可降解高分子树脂及其复合材料的开发及利用研究的热点[15]。然而,有研究报道,与传统塑料相比,BDP在老化过程中可能会产生更多的微塑料[16-18]。例如,1 cm×1 cm尺寸PLA塑料膜老化112 d时能向1 mL水体释放61 750个微/纳塑料颗粒(2～60 μm),显著高于PP(46 270个)和PE(39 619个)等传统塑料[16]。BDP在自然环境中被完全降解为二氧化碳和水的过程极其缓慢,有研究显示,PLA塑料样品在自然土壤中老化12个月后,质量损失率仅为0.23%[19]。PLA老化形成的微塑料能在土壤中大量积累,可能会直接或间接影响土壤功能和微生物群落结构[20]。因此,研究BDP在土壤环境中的老化降解过程具有重要意义。

BDP老化降解过程主要与微生物作用有关。与PE、PP和PS等传统塑料相比,BDP含有活性化学官能团,如酯、羧基和羟基等,易被微生物代谢利用[21],从而发生老化降解。此外,土壤温度、氧气和化学成分等非生物因子也会直接或间接加速BDP降解过程[22-23]。例如,高温能使PLA热氧化导致其分子链发生断裂[24]。目前,在全球气温不断升高的背景下,土壤温度亦增加[25]。但在该情景下,对BDP老化降解过程和破碎潜势的研究尚不足。目前BDP老化降解指标及其表征方法主要包括基于称重法获得的质量变化[26]、基于凝胶渗透色谱法获得的相对分子质量改变[26]以及基于差示扫描量热法和动态力学分析获得的热力学性能差异(如抗拉强度损失率)[24];此外,在BDP表面变化表征上,主要包括形貌结构(扫描电子显微成像)、官能团(傅里叶红外光谱法)和亲疏水性分析等[24,27-28]。然而,采用这些研究方法无法精准获得BDP在微/纳空间尺度上的老化过程及趋势,BDP老化降解过程的纳米尺度表征对BDP破碎化过程及微/纳塑料形成潜势的研究具有重要意义。

目前有关微塑料老化的纳米尺度表征方法主要有基于原子力显微镜(AFM)的纳米红外光谱(nanoIR)、热重(TGA)和洛伦兹接触共振(LCR)[29],nanoIR可以在纳米空间尺度上获得微塑料表面官能团信息,并结合AFM成像获得目标官能团的微区分布特征,通过官能团的组成和分布变化分析微塑料老化过程[30];此外,纳米热分析(nano-TA)可通过纳米热探针获得微塑料表面玻璃化转变温度及其在纳米尺度上的差异,LCR主要用来测量微塑料表面刚性变化,根据获得的微塑料表面微区热力学特征推测微塑料老化降解过程。

因此,以含PLA成分的购物袋来源微塑料为例,开展室内土壤环境原位老化试验,采用AFM结合nanoIR、TGA和LCR等方法,从纳米层面分析PLA微塑料降解过程及其特征。研究结果能为可生物降解材料破碎化潜势及环境风险评估提供理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料准备

微塑料样品:PLA商品购物袋购买自杭州某商场,用剪刀将塑料袋剪成5 mm×5 mm的塑料片,用φ=75%乙醇溶液清洗消毒,并用去离子水清洗残留的乙醇溶液,放入超净台内干燥,备用。

土壤样品:从浙江工业大学校园草坪采集自然土壤样本(采集点位坐标:30.559 342 9° N、120.043 266 0° E),称取500 g土壤置于预先洗净的玻璃烧杯中,加入去离子水控制土壤质量含水率w约为70%。

1.2 试验设计与样品收集

将准备好的PLA微塑料片(约20片)均匀分散在土壤表层以下2 cm处,并用表面皿覆盖烧杯口。试验共设置2个土壤温度梯度,一组放置在室温环境(25 ℃)中,另一组放置在高温环境(50 ℃)中以模拟极端高温地面环境,其他环境条件一致。分别在老化7和14 d时取样。将取出的微塑料用酒精棉球轻轻擦拭以去除微塑料表面附着的土壤黏粒,然后再将微塑料放入w=30%的H2O2溶液中消解12 h以进一步去除微塑料表面附着的有机物(未老化对照组塑料样品也做相同处理),最后用去离子水清洗表面,放入超净台中风干。

1.3 微塑料样品降解特征分析

1.3.1微塑料表面超微形貌结构与纳米红外光谱成像

采用nanoIR2 AFM-IR仪(nanoIR2,Anasys Instruments,美国)获得不同老化时间的微塑料表面纳米尺度上超微形貌结构和化学官能团信息。将微塑料样品粘在直径2 cm的圆形铁片上,置于磁铁样品架上,采用NIR2探针(PR-EX-NIR2)以接触模式获得微塑料表面超微形貌结构,接触模式扫描速率为0.3 Hz,分辨率为300 pt。在对样品进行纳米红外光谱测试前,采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱仪(ATR-FTIR,Spotlight 400,Perkin-Elmer,美国)预先获得样品表面官能团类型和出峰位置,光谱分辨率为16 cm-1,波长范围为750～4 000 cm-1,然后采用NIR2探针获得微塑料表面目标点的红外光谱信号以进一步原位定点分析官能团信息,悬臂频率为192.26 kHz,宽度为50 kHz,红外光谱波数收集范围为910～3 600 cm-1,光谱分辨率为4 cm-1。根据获得的红外光谱数据,选择特定红外吸收峰进行官能团成像,扫描速率为0.1 Hz,采集次数为16次。采用Analysis Studio 3.15(Anasys Instruments,美国)进行数据收集和分析。

1.3.2洛伦兹接触共振测试

洛伦兹接触共振(LCR)测试是通过测量探针与样品之间的接触刚度,在纳米尺度上分析样品的机械性能信息。首先,运用原子力显微镜扫描样品表面高度,然后运用悬臂长为300 μm的U型ThermaLever探针(EXP-AN2-300)测试目标区域以获取纳米机械谱图。谱图频率测试范围为50～1 000 kHz,扫描速率为100 kHz·s-1,根据获得的纳米机械谱图的差异,分析不同老化处理的微塑料表面纳米尺度上的机械性能差异。一般地,获得的机械谱图中第1个峰(第1弯曲共振模式)对刚度最敏感,且材料越软,该峰的频率越低[29]。根据频率差异,选择需要分析的目标峰所在的频率,以接触共振模式驱动悬臂获得样品表面目标区域的机械图像。

1.3.3纳米热分析

采用nanoIR2 AFM-IR仪以nano-TA模式对样品进行局部热分析。通过加热探针,记录悬臂弯曲程度,获得偏转信号与加热电压的热分析迹线图,根据信号变化,获得玻璃化转变温度。先测量聚合物校准样品聚己内酯(55 ℃)、PE(116 ℃)和聚对苯二甲酸乙二酯(235 ℃)的玻璃化转变温度以获得校准曲线,并采用AFM获得目标区域形貌图像,根据图像凹凸分布定位测试点,在每个目标区域选择3个以上的点进行测试,探针加热速度为5 ℃·s-1。

1.4 数据处理与图像分析

采用Microsoft Excel 2013整理和分析数据,采用Origin Pro绘制和处理红外光谱和机械频谱,采用SPSS 20单因素方差分析(one-way ANOVA)对试验数据进行统计学分析,采用Analysis Studio 3.15处理纳米红外光谱和LCR图像。

2 结果与讨论

2.1 PLA微塑料表面超微形貌结构变化

高分子聚合物材料在老化降解过程中,表面形貌易发生改变。AFM形貌图(图1)显示,未老化PLA微塑料表面平坦光滑,而老化PLA表面凹凸不平,形貌变得粗糙,且随着老化时间增加,粗糙程度逐渐加重。在常温土壤环境条件下,老化PLA表面算数平均粗糙度(Ra)、均方根平均粗糙度(RMS)和高程差(Rma)均高于未老化样品,且老化14 d处理PLA表面粗糙度(Ra为122.45 nm,RMS为161.34 nm)高于老化7 d处理(Ra为110.90 nm,RMS为135.76 nm),在高温条件下也出现类似现象(表1);且与常温相比,高温条件下PLA微塑料表面粗糙度变化更快,表明高温土壤环境下PLA表面破碎化更快,温度对PLA老化降解的影响可能更大。PLA主要特征是热不稳定性,有研究表明,高温易引起PLA化学键断裂和化学结构变化[31],从而导致高温环境下PLA表面粗糙度增加。

表1 不同土壤温度条件下PLA微塑料表面粗糙度随老化时间的变化过程

CK为未老化处理;RT和HT分别为常温(25 ℃)和高温(50 ℃)环境;7和14表示老化时间分别为7和14 d。区域面积为10 μm×10 μm。

2.2 PLA微塑料表面官能团组成及其微空间分布

a～e为C—O官能团(1 006 cm-1处);f～j为CO官能团(1 720 cm-1处)。CK为未老化处理;RT和HT分别为常温(25 ℃)和高温(50 ℃)环境;7和14表示老化时间分别为7和14 d。区域面积为10 μm×10 μm。

2.3 PLA微塑料表面纳米尺度的机械性能及其微空间分布变化

为了探究PLA微塑料老化过程中的纳米机械性能变化,对不同处理样品进行洛伦兹接触共振测量。机械谱图可用于解释机械强度变化,不同温度条件下PLA老化前后的机械谱图和AFM形貌偏差图见图4。为保证测试结果准确性,每个测试样品表面随机选取3个位点进行测试。在50～1 000 kHz的频率区间内,未老化PLA样品存在4个共振频率,分别约为216、399、723和814 kHz,其中第1振动频率峰通常作为刚性分析的依据[29,38],材料表面刚性差异将会引起共振频率差异,高共振频率表示该点位刚性大,低共振频率表示刚性小。常温土壤环境老化7和14 d处理PLA表面第1振动频率分别在230和290 kHz附近,总体表现为14 d>7 d>对照,表明老化PLA表面刚性增加。高温土壤环境中,老化7 d处理PLA表面第1振动频率比常温环境更高(图4b和d),表明PLA出现刚性更强的表面。但老化14 d时,高温环境中老化PLA表面测试点位第1振动频率差异较大,且出现降低趋势(图4c和e)。

CK为未老化处理;RT和HT分别为常温(25 ℃)和高温(50 ℃)环境;7和14表示老化时间分别为7和14 d。不同颜色谱图对应相应颜色点位。原子力显微镜成像的样品表面形貌偏差图区域面积为10 μm×10 μm。

为进一步证实PLA老化过程中机械性能变化趋势,提高测试结果准确性,对不同老化时间PLA第1振动频率进行空间成像分析(图5)。选取对照第1振动频率相应位置(216 kHz,代表刚性较低的表面)进行空间成像,以分析PLA表面软硬分布随老化时间的变化。在常温老化组中,216 kHz在未老化PLA表面信号最强,随老化时间增加而减弱(图5a～c),且信号分布区域面积比例减少(由未老化的52.6%下降至老化14 d的42.5%),表明PLA表面刚性发生变化,结合机械谱图(图4)可知,常温环境PLA表面刚性随老化时间(14 d内)增加而变大。而在高温老化组中,与未老化样品相比,老化7 d处理PLA表面216 kHz信号减弱(图5d),区域分布面积比例(37.6%)减少。可见,老化使PLA表面刚性增加,变硬变脆,这可能与表面应力发生改变有关[37],变硬变脆的PLA在环境中更易发生断链现象;此外,表面断链能产生更多短链结构,较短的链具有较高的迁移率,有利于链段以较低的能量排列重组成晶体结构,因而可能会导致结晶度增加,刚性增强,从而进一步加速塑料老化[24,38]。在老化7 d时,与常温环境相比,高温环境下PLA变硬程度更明显,表明温度对PLA老化过程中的刚性影响较大,且PLA表面刚性增加将进一步加速其破碎化[38-39]。这与在两种温度环境中PLA粗糙度随老化时间增加的变化趋势相一致。然而,与老化7 d处理相比,老化14 d处理PLA表面216 kHz频率信号增强且区域分布面积比例增加(面积占比为49.7%)(图5e),表明PLA表面部分区域刚性逐渐趋同于未老化样品,出现这种现象的原因可能是由于在高温老化14 d时,PLA老化表面发生破碎化,导致老化面剥落,露出新的PLA表面。

CK为未老化处理;RT和HT分别为常温(25 ℃)和高温(50 ℃)环境;7和14表示老化时间分别为7和14 d。区域面积为10 μm×10 μm。

2.4 PLA微塑料表面纳米尺度的热学性能变化

微塑料老化会引起热学性能改变[40],为了探究PLA购物袋源微塑料在老化过程中的纳米层面热性能变化与差异,采用nanoIR2系统AFM-TA模式进行PLA表面热轨迹分析。首先,随机选取PLA样品表面6个点位,通过nano-TA测量获得偏转信号与加热温度的曲线图,根据曲线图变化获得玻璃化转变温度。如图6所示,未老化PLA样品表面玻璃化转变温度为(72.3±4.9) ℃,老化7 d时,PLA表面理化性能发生变化,玻璃化转变温度上升。其中,常温环境下玻璃化转变温度上升至(114.2±3.8) ℃,高温环境下上升至(110.1±18.5) ℃,且两种温度条件下老化微塑料玻璃化转变温度与未老化对照具有显著差异(P<0.05),表明老化PLA耐高温性能显著增强。然而,老化14 d时,尤其是高温条件下,PLA玻璃化转变温度〔(87.4±15.0) ℃〕下降。影响微塑料玻璃化转变温度的因素很多,通常地,高分子聚合物玻璃化转变温度与刚性密切相关,分子链刚性越大,玻璃化转变温度越高[29]。笔者研究中PLA表面玻璃化转变温度与刚性变化趋势一致。PLA表面刚性在老化7 d时增强,玻璃化转变温度也随之升高;而老化14 d时,高温环境下PLA表面刚性随之降低,且空间分布不均,这也解释了该处理PLA表面玻璃化转变温度降低且空间差异较大的现象。环境中的塑料或微塑料表面在老化过程中首先会发生破碎化,引起老化表面剥落,导致塑料变薄[41]。

上、中和下图分别表示未老化PLA的热分析迹线、AFM形貌高程图和形貌偏差图。CK为未老化处理;RT和HT分别为常温(25 ℃)和高温(50 ℃)环境;7和14表示老化时间分别为7和14 d。AFM形貌高程图和形貌偏差图区域面积均为5 μm×5 μm。

因此,老化14 d处理PLA表面玻璃化转变温度和刚性下降且空间分布不均的原因可能与PLA老化后表面剥落裸露出新表面有关,这也进一步表明PLA在土壤环境中的老化降解过程可能释放微/纳塑料颗粒。未来应进一步对PLA老化释放到土壤环境中的纳米塑料颗粒开展量化研究,并分析其环境行为。

3 结论