基于透析袋法分析生物降解塑料及微塑料动态变化的方法

1.本发明涉及环境分析的技术领域，具体涉及基于透析袋法分析生物降解塑料及微塑料动态变化的方法。


背景技术：

2.在全球范围内，随着塑料和微塑料污染的日益严重，消费者和制造商争相寻找替代材料，利用生物可降解塑料（biodegradable plastics，bps）替代常规塑料的关注与日俱增。据估计，全球生物塑料生产能力将从2018年的211万吨增加到2023年的262万吨。
3.但是，bps是否能解决塑料所带来的环境危机仍不确定。研究表明，bps可以被生物降解，但降解过程需要特定的条件，而在自然生态系统中，并没有特定的条件，导致生物降解速度明显放缓。
4.虽然bps比传统塑料分解更快，但是，已有文献表明bps在土壤和海洋环境中降解缓慢，其分解产生的微塑料对摄入的生物体、生态系统功能产生负面影响。与传统的微塑料相比，bps甚至具有更强的污染物和微生物及抗性基因载体的能力。如果不能保证降解产生的碎片在短时间内被微生物完全吸收，设计的bps可能比不可生物降解塑料对环境造成更大的破坏。
5.因此，在bps在分解过程中，需要获得其分解的时间及分解程度的信息，而这些信息是理解bps环境行为及潜在生态风险的重要基础。然而，现在大多数研究还停留实验室内，塑料在淡淡水环境中原位降解裂解生成微塑料的信息非常有限，且缺乏相应的方法对微塑料进行分析，不能直接获得bps在淡水生境中微塑料降解变化，以及获得不同bps的降解机制及影响降解的关键因子，因此，需要设定一种能够预测bps在实际环境中降解情况，并更好地评估其在环境中的行为和生态风险的基于透析袋法分析生物降解塑料及微塑料动态变化的方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种能够预测bps在实际环境中降解情况，并更好地评估其在环境中的行为和生态风险的基于透析袋法分析生物降解塑料及微塑料动态变化的方法。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于透析袋法分析生物降解塑料动态变化的方法，包括以下步骤：步骤一、原位降解实验：选择不同材质的生物降解塑料作为塑料样品，将不同材质的塑料样品分别投放在已处理后的透析袋内，一种材质的塑料样品对应一个透析袋，并将透析袋通过装置原位固定于淡水环境中，且位于水下0.5-1m的位置，隔时取样检测；步骤二、确定取样时间：将步骤一中的塑料样品隔时取样检测时，以一段时间为取样检测周期，取样周期检测包括前期和后期，其中，前期为每两周检测一次，后期为每一周检测一次；
步骤三、生物降解塑料降解机制分析：将步骤二中不同时间段采集的塑料样品从透析袋中取出，进行干燥处理，对不同材质生物降解塑料的降解速率、生物膜、热性能和表面基团进行随时间变化的物理机制、化学机制和生物机制的表征分析；再取透析袋中的部分水样，进行过滤和固相萃取处理后，采用气质联用仪分析水样中塑料样品降解产生的降解大分子，结合表征分析结果，分析透析袋内降解大分子与对应材质的生物降解塑料的降解和微生物生长特性的关系，推测不同材质的生物降解塑料在淡水环境下的降解机制。
8.进一步，在步骤三中，所述物理机制包括采用重量损失、分子量变化和热重分析方法用于获取不同材质生物降解塑料的降解速率表征；所述化学机制包括采用sem-eds观察生物降解塑料表面的物理损伤、结构改变以及材料表面c/o比例用于获取不同材质生物降解塑料的生物膜表征，以及采用ftir和xps用于获取不同材质生物降解塑料的表面基团变化表征；所述生物机制包括采用多重染色-激光共聚焦荧光显微镜观察生物降解塑料表面的生物膜生长和变化，并采用分光光度法对生物膜进行定量表征，结合16srdna分析生物膜的主要微生物群落。
9.结合表征结果，推测不同材质生物降解塑料在淡水环境下的降解机制；分析生物降解塑料聚合物特性、生物膜的生长速率、温度、干湿状态等因子与生物降解塑料降解裂解的关系；采用主成分分析、关联分析和非参数多元方差分析等方法，进行深度挖掘，筛选主要因子，开展数据拟合，建立数学模型，阐明影响降解的关键因子，并对不同生物降解塑料在淡水环境中的降解速率进行合理预测。
10.进一步，表面基团为生物降解塑料不同部位羰基、羟基和碳碳双键变化表征。
11.基于透析袋法分析微塑料动态变化的方法，包括以下步骤：步骤一、原位降解实验：选择不同材质的生物降解塑料作为塑料样品，将不同材质的塑料样品分别投放在已处理后的透析袋内，一种材质的塑料样品对应一个透析袋，并将透析袋通过装置原位固定于淡水环境中，且位于水下0.5-1m的位置，隔时取样检测；步骤二、确定取样时间：将步骤一中的塑料样品隔时取样检测时，以一段时间为取样检测周期，取样周期检测包括前期和后期，其中，前期为每两周检测一次，后期为每一周检测一次；步骤三、微塑料变化规律分析：在步骤二中不同时间段取样检测的过程中，收集不同材质的塑料样品分解的塑料碎片，采用微孔滤膜进行过滤得到不同材质的微塑料，对不同材质的微塑料进行物理性质和化学性质随时间变化的表征分析，结合表征分析结果，分析对应材质的微塑料和环境因素与微塑料形成的速率、粒径分布和微塑料表面性质之间的关系，得到微塑料形成和变化的一般规律。
12.进一步，在步骤三中，物理性质的变化包括采用荧光显微镜和粒子计数器观察微塑料数量的变化，以及采用sem-eds观察微塑料的形貌、粒径分布的变化；化学性质的变化包括采用xps、显微红外系统、zeta电位观察微塑料的表面基团和电荷的变化，以及采用总有机碳测定仪测定塑料降解产生的可溶性有机碳和不可溶性有机碳，间接表征微塑料释放的质量。
13.通过表征结果，采用主成分分析、关联分析和非参数多元方差分析等方法，得出塑料组成、环境因素等与微塑料形成的速率、粒径分布和微塑料表面性质等的关系，进一步阐明微塑料形成和变化的一般规律，并估算微塑料在环境中的累积速率，对微塑料在淡水环
境中的变化趋势进行合理预测。
14.进一步，在步骤一中，准备矩形框结构的铁丝笼，将多个透析袋装入原位淡水环境中的水溶液，相邻的透析袋间隔设置，再将铁丝笼置于原位淡水环境的水体中稳定4小时；再将铁丝笼取出，将不同材质的生物降解塑料进行裁剪得到塑料薄膜，将不同材质的塑料薄膜分别放入透析袋内，密封后，再将铁丝笼固定在原位淡水环境中。
15.这样设计，将不同材质的生物降解塑料进行裁剪得到不同材质的塑料薄膜是为了便于实验过程中取样，由于透析袋具有一定的孔隙，便于水体能够浸入透析袋内，透析袋内的塑料薄膜在降解时便于透析袋内外的大分子能自由出入，实现物质和能量的交换，但塑料薄膜降解的微塑料是不会流失，会保留在透析袋内；在透析袋置于原位淡水环境的水体中稳定4小时，是为了让透析袋适应水体。
16.进一步，在步骤一中，所述透析袋为分子截留量为3.5kd、10kd和500kd的透析袋，每种塑料薄膜分别放入三种不同分子截留量的透析袋内。
17.由于生物降解塑料在降解时，可能会产生不同分子量的大分子，采用3.5kd、10kd和500kd的透析袋能够截留不同的分子量的大分子。
18.进一步，在步骤一中，所述透析袋采用再生纤维透析袋或聚偏氟乙烯透析袋。
19.进一步，在步骤二中，每次采样时，记录和测定原位淡水环境的水体的温度、ph值、溶解氧和电导率数据。
20.在步骤二中，每次采样时，记录和测定原位淡水环境的水体的温度、ph值、溶解氧和电导率数据，这是由于，水体的温度、ph值、溶解氧和电导率数据会影响生物降解塑料表面的生物膜生长，通过记录，分析生物降解塑料表面生物膜的生长速率与生物降解塑料降解裂解的关系；其次，水体的温度、ph值、溶解氧和电导率数据也会影响生物降解塑料物理和化学降解，通过记录，分析生物降解塑料对应材料的微塑料形成的速率、粒径分布和微塑料表面性质与环境因素的关系。
21.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、本发明采集不同时间间隔的塑料样品，记录和测定采样时的环境条件和基本水质指标。结合重量法、力学性能测试、热重分析、分子量变化、红外光谱图变化等表征分析不同材质的生物降解塑料在降解过程中表面形貌、表面生物膜、微生物群落、表面c/o比例和官能团等的变化；采用分光光度法、多重染色-激光共聚焦荧光显微分析、16srdna等表征分析不同材质的生物降解塑料表面生物膜的生长及微生物群落变化。
22.综合分析表征结果，推测不同材质的生物降解塑料降解裂解的作用机制；采用主成分分析和关联分析等方法，从多种因子（分子组成、表面生物膜、干湿状态、温度等）中筛选主要因子，分析不同材质的生物降解塑料降解的关键影响因子，并对不同材质的生物降解塑料降解裂解速率进行合理预测。
23.2、针对生物降解塑料在淡水生态系统中降解的时间尺度和程度不明确，以及裂解产生的微塑料可能带来的生态风险等问题，通过在河流环境下进行原位实验，结合直接和间接等表征手段，研究不同生物降解塑料降解裂解形成微塑料的作用机制和变化规律。本发明旨在揭示不同生物降解塑料在淡水生境中的降解机制和影响降解的主要因素，阐明降解过程中微塑料形成速率、粒径分布、表面基团等理化性质随时间的变化规律和微塑料的累积速率，为生物降解塑料及其微塑料的环境持久性和生态风险提供重要依据。
24.3、生物降解塑料在淡水生境中的归趋和生态风险未知。本发明着眼于典型生物降解塑料，研究其在淡水生境中原位降解裂解形成微塑料的作用机制和变化规律，为生物降解塑料及其微塑料在实际淡水生态系统中的环境持久性和生态风险提供重要依据，为生物降解塑料选择和开发提供新的思路。
25.4、巧妙设置原位实验，在实际淡水环境下，收集和研究实验过程中生物降解塑料降解产生的微塑料，有利于原位追踪生物降解塑料的降解及微塑料形成和变化的过程。
附图说明
26.图1为本发明基于透析袋法分析生物降解塑料动态变化的方法的流程图。
27.图2为本发明基于透析袋法分析微塑料动态变化的方法的流程图。
28.图3为本发明基于透析袋法分析生物降解塑料及微塑料动态变化的方法中原位降解实验的实验结构的结构示意图。
29.图4为本发明基于透析袋法分析生物降解塑料动态变化的方法中生物可降解塑料聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（pla/pbat）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯/淀粉（pla/pbat/st）和不可生物降解塑料聚乙烯（pe）的质量损失图。
30.图5为本发明基于透析袋法分析生物降解塑料动态变化的方法中生物可降解塑料聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（pla/pbat）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯/淀粉（pla/pbat/st）和不可生物降解塑料聚乙烯（pe）的微生物膜变化图。
31.图6为本发明基于透析袋法分析生物降解塑料动态变化的方法中生物可降解塑料聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（pla/pbat）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯/淀粉（pla/pbat/st）和不可生物降解塑料聚乙烯（pe）降解产物toc的变化图。
32.图7为本发明基于透析袋法分析微塑料动态变化的方法中生物可降解塑料聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（pla/pbat）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯/淀粉（pla/pbat/st）和不可生物降解塑料聚乙烯（pe）降解产生的微塑料显微图片。
33.图8为本发明基于透析袋法分析微塑料动态变化的方法中生物可降解塑料聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（pla/pbat）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯/淀粉（pla/pbat/st）和不可生物降解塑料聚乙烯（pe）降解产生的微塑料计数图。
34.图中：铁丝笼1、透析袋2、生物降解塑料3、提环4。
具体实施方式
35.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
36.本实施例：参见图1和图2，基于透析袋法分析生物降解塑料动态变化的方法，包括以下步骤：步骤一、原位降解实验：选择不同材质的生物降解塑料3作为塑料样品，可以为聚乳酸、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯、淀粉和聚羟基脂肪酸酯等，将不同材质的生物降解塑料3分别投放在已处理后的透析袋2内，一种材质的塑料样品对应一个透析袋，并将透析袋2通过装置原位固定于淡水环境中，将塑料样品放置在原位淡水环境中，且位于水下0.5-1m的位置，隔时取样检测；步骤二、确定取样时间：将步骤一中的塑料样品隔时取样检测时，以一段时间为取
样检测周期，取样周期检测包括前期和后期，其中，前期为每两周检测一次，后期为每一周检测一次；步骤三、生物降解塑料降解机制分析：将步骤二中不同时间段采集的塑料样品从透析袋2中取出，进行干燥处理，对不同材质生物降解塑料3的降解速率、生物膜、热性能和表面基团进行随时间变化的物理机制、化学机制和生物机制的表征分析；再取透析袋2中的部分水样，进行过滤和固相萃取处理后，采用气质联用仪分析水样中塑料样品降解产生的降解大分子，结合表征分析结果，分析透析袋内降解大分子与对应材质的生物降解塑料3的降解和微生物生长特性的关系，推测不同材质的生物降解塑料3在淡水环境下的降解机制。
37.作为优选，在步骤三中，物理机制包括采用重量损失、分子量变化和热重分析方法用于获取不同材质生物降解塑料3的降解速率表征；化学机制包括采用sem-eds观察生物降解塑料3表面的物理损伤、结构改变以及材料表面c/o比例用于获取不同材质生物降解塑料3的生物膜表征，以及采用ftir和xps用于获取不同材质生物降解塑料3的表面基团变化表征；生物机制包括采用多重染色-激光共聚焦荧光显微镜观察生物降解塑料3表面的生物膜生长和变化，并采用分光光度法对生物膜进行定量表征，结合16srdna分析生物膜的主要微生物群落。
38.结合表征结果，推测不同材质生物降解塑料3在淡水环境下的降解机制；分析生物降解塑料3聚合物特性、生物膜的生长速率、温度、干湿状态等因子与生物降解塑料3降解裂解的关系；采用主成分分析、关联分析和非参数多元方差分析等方法，进行深度挖掘，筛选主要因子，开展数据拟合，建立数学模型，阐明影响降解的关键因子，并对不同生物降解塑料3在淡水环境中的降解速率进行合理预测。
39.作为优选，表面基团为生物降解塑料3不同部位羰基、羟基和碳碳双键变化表征。
40.基于透析袋法分析微塑料动态变化的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、原位降解实验：选择不同材质的生物降解塑料3作为塑料样品，可以为聚乳酸、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯、淀粉和聚羟基脂肪酸酯等，将不同材质的生物降解塑料3分别投放在已处理后的透析袋2内，一种材质的塑料样品对应一个透析袋，并将透析袋2通过装置原位固定于淡水环境中，将塑料样品放置在原位淡水环境中，且位于水下0.5-1m的位置，隔时取样检测；步骤二、确定取样时间：将步骤一中的塑料样品隔时取样检测时，以一段时间为取样检测周期，取样周期检测包括前期和后期，其中，前期为每两周检测一次，后期为每一周检测一次；步骤三、微塑料变化规律分析：在步骤二中不同时间段取样检测的过程中，收集不同材质的塑料样品分解的塑料碎片，采用微孔滤膜进行过滤得到不同材质的微塑料，对不同材质的微塑料进行物理性质和化学性质随时间变化的表征分析，结合表征分析结果，分析对应材质的微塑料和环境因素与微塑料形成的速率、粒径分布和微塑料表面性质之间的关系，得到微塑料形成和变化的一般规律。
41.如图3所示，作为优选，在步骤一中，准备矩形框结构的铁丝笼，将多个透析袋装入原位淡水环境中的水溶液，相邻的透析袋间隔设置，再将铁丝笼置于原位淡水环境的水体中稳定4小时；再将铁丝笼取出，将不同材质的生物降解塑料进行裁剪得到塑料薄膜，将不同材质的塑料薄膜分别放入透析袋内，密封后，再将铁丝笼固定在原位淡水环境中。
42.其中铁丝笼1上还设有方便提起来的提环4，方便操作者操作。
43.这样设计，将不同材质的生物降解塑料3进行裁剪得到不同材质的塑料薄膜是为了便于实验过程中取样，由于透析袋2具有一定的孔隙，便于水体能够浸入透析袋2内，透析袋2内的塑料薄膜在降解时便于透析袋内外的大分子能自由出入，实现物质和能量的交换，但塑料薄膜降解的微塑料是不会流失，会保留在透析袋2内。
44.作为优选，在步骤一中，透析袋2为分子截留量分别为3.5kd、10kd和500kd的透析袋2，每种塑料薄膜分别放入三种不同分子截留量的透析袋2内。
45.作为优选，在步骤一中，透析袋2采用再生纤维透析袋2或聚偏氟乙烯透析袋2。
46.作为优选，在步骤二中，每次采样时，记录和测定原位淡水环境的水体的温度、ph值、溶解氧和电导率数据。
47.作为优选，在步骤三中，物理性质的变化包括采用荧光显微镜和粒子计数器观察微塑料数量的变化，以及采用sem-eds观察微塑料的形貌、粒径分布的变化；化学性质的变化包括采用xps、显微红外系统、zeta电位观察微塑料的表面基团和电荷的变化，以及采用总有机碳测定仪测定塑料降解产生的可溶性有机碳和不可溶性有机碳，间接表征微塑料释放的质量。
48.通过表征结果，采用主成分分析、关联分析和非参数多元方差分析等方法，得出塑料组成、环境因素等与微塑料形成的速率、粒径分布和微塑料表面性质等的关系，进一步阐明微塑料形成和变化的一般规律，并估算微塑料在环境中的累积速率，对微塑料在淡水环境中的变化趋势进行合理预测。
49.本发明考虑塑料组成和环境条件对塑料降解和微塑料形成的影响，选择了四种典型的生物降解塑料—聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（pla/pbat）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯/淀粉（pla/pbat/st）和不可生物降解塑料聚乙烯（pe）作为塑料样品。拟选取长江重庆主城某段河流作为研究点。
50.为了方便收集水体原位降解过程中的微塑料，并尽可能模拟真实环境，拟将被测试样置于一定孔径的透析袋中，允许物质和能量交换，但微塑料不会流失。先准备一个约30cm
×
30cm的铁丝笼。选择适当材质和尺寸的透析袋（拟采用聚偏氟乙烯材质的透析袋，假设实验过程中聚偏氟乙烯材质的透析袋降解可以忽略，实验过程中将监控透析袋性状的变化），处理之后，在透析袋中装入待测地点的实际江水，并置于江中，平衡4小时。将剪至一定形状的塑料薄膜置于透析袋中，密封之后，固定于装置中。将装置放入水下0.5m的位置，固定。隔时取样。
51.经过基于透析袋法分析生物降解塑料动态变化的方法和基于透析袋法分析微塑料动态变化的方法获得生物降解塑料聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（pla/pbat）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯/淀粉（pla/pbat/st）和不可生物降解塑料聚乙烯（pe）的降解速率和微生物膜生长的差异。如图4所示，三种塑料降解前后的重量损失具有明显差异。由图3可以看出，随着降解时间增加，生物降解塑料重量损失增加。
52.在基于透析袋法分析生物降解塑料动态变化的方法中获得三种塑料pla/pbat、pla/pbat/st、pe的生物膜生长情况。如图5所示，天然环境水体中存在大量微生物和藻类，它们附着在生物降解塑料上形成生物膜，使用结晶紫染色测量生物膜总量。由图5可知，生物降解塑料上生长的生物膜随着在水体中降解时间的增加而增加，其中生物降解塑料长时
间降解后生物膜重量明显高于其传统难降解塑料。
53.在基于透析袋法分析生物降解塑料动态变化的方法中获得三种塑料pla/pbat、pla/pbat/st、pe分解产生的大分子及微塑料质量浓度，使用总有机碳（toc）来表征。由图6可知，生物降解塑料pla/pbat、pla/pbat/st和传统难降解塑料pe均在自然水体中分解形成了微塑料，其中生物降解塑料分解产生的微塑料toc高于传统难降解塑料pe。
54.在基于透析袋法分析微塑料动态变化的方法中，如图7所示，使用光学显微镜观察微塑料。由图8所示使用图形软件对三种塑料分解产生的微塑料进行数量统计。由图8可知，第16周微塑料浓度远大于第4周，其中生物降解塑料分解产生的微塑料数量明显高于传统难降解塑料。
55.最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。