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生物降解

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在一箱湿纸上生长的黄色黏液霉菌

生物降解或生物分解，是由微生物把某些物质以化学分解成自然元素。该术语通常在关系到生态环境、废物管理、生物医药、自然环境（生物修复）。现在，可生物降解一词常用于环保产品，表示该产品能够被微生物分解回归自然。

可生物降解的物质，一般是有机物质，如植物和动物，或相似的人工物质。有些微生物具有一种自然的微生物代谢能力，能降解和改造巨大的化合物。

1 机制编辑

生物降解过程可分为三个阶段:生物腐蚀、生物降解和同化。[1]生物腐蚀有时被描述为一种表面水平的降解，它改变了材料的机械、物理和化学性质。当材料在暴露于室外环境中的非生物因素时，就会发生生物腐蚀，并通过削弱材料的结构发生进一步降解。影响这些初始变化的一些非生物因素是环境中的压缩(机械)、光、温度和化学物质。[1] 虽然生物腐蚀通常作为生物降解的第一阶段出现，但在某些情况下它可以与生物降解同时发生。[2]然而科学家胡克[3]将生物腐蚀定义为生物体对人类材料的不良作用，包括建筑物的石面破裂，[4]微生物对金属的腐蚀，或者仅仅是生物体生长引起的人造结构的审美变化[4]。

聚合物的生物降解是聚合物内部键断裂的裂解过程，并在断裂位置产生低聚物和单体。[1]根据系统中氧的存在，破碎这些材料的步骤也有所不同。氧存在时，微生物对材料的分解是好氧消化，氧不存在时材料的分解是厌氧消化。[5]这些过程之间的主要区别是厌氧反应产生甲烷，而好氧反应不产生(然而，两种反应都产生二氧化碳、水、某种残留物和新的物质)。[6]此外，好氧消化通常比厌氧消化发生得更快，而厌氧消化更好地减少了材料的体积和质量。[5]由于厌氧消化能够减少废物材料的体积和质量并产生天然气，厌氧消化技术被广泛用于废物管理系统并作为当地可再生能源的来源。[7]

生物降解产生的产物随后被整合到微生物细胞中，这是同化阶段。[1]一些降解产物很容易通过膜载体在细胞内运输。然而，其他产物仍然需要进行生物转化反应以产生可以在细胞内运输的产物。一旦进入细胞，产物进入分解代谢途径，导致产生三磷酸腺苷 (ATP)或细胞结构元素。[1]

好氧生物降解公式

厌氧降解公式

2 影响生物降解速率的因素编辑

实际上，几乎所有的化合物和材料都经历生物降解过程。然而，重要的是这种过程的相对速率，如日、周、年或世纪。许多因素决定了有机化合物降解的速度。这些因素包括光线、水、氧气和温度。[8]许多有机化合物的降解速率受到它们的生物利用度的限制，生物利用度是指一种物质被系统吸收或在生理活动场所被利用的速率是多少，[9]因为在生物降解化合物之前，它们必须先释放到溶液中。生物降解速率可以用多种方法来测量。呼吸测定法测试可用于好氧微生物。首先，将固体废物样品放入装有微生物和土壤的容器中，然后将混合物充气。在几天的过程中，微生物一点一点地消化样品，产生二氧化碳——由此产生的二氧化碳量可以作为降解的指标。生物降解速率也可以通过厌氧微生物及其能够产生的甲烷或合金的量来测量。[10]

在产品测试过程中，注意影响生物降解率的因素是很重要的，以确保产生的结果是准确和可靠的。一些材料将在实验室中进行生物降解测试，以获得批准，但这些结果可能无法反映真实世界的结果，因为在现实世界中，因素更加多变。[11]例如，一种材料可能在实验室被测试为生物降解速率很高，但在填埋场可能降解速率不会很高，因为填埋场通常缺乏降解所需的光、水和微生物活性。[12]因此，制定对环境有重大影响的塑料生物降解产品的标准是非常重要的。开发和使用精确的标准测试方法可以帮助确保所有正在生产和商业化的塑料都能在自然环境中进行生物降解。[13]为此目的开发的一种测试是DINV 54900。[14]

化合物在海洋环境中生物降解周期        [15]
物质 生物降解周期
纸巾 2-4周
报纸 6周
苹果核 2个月
纸板盒 2个月
蜡涂层牛奶箱 3个月
棉花手套 1-5个月
羊毛手套 1年
胶合板 1-3年
涂漆木棒 13年
塑料袋 10-20年
锡罐 50年
一次性尿布 50-100年
塑料瓶 100年
铝罐 200年
玻璃瓶 未确定

常见物品在陆地环境中降解周期        [12]
蔬菜 5天–1个月
纸 2-5个月
棉t恤 6个月
橘子皮 6个月
树叶 1年
羊毛袜子 1-5年
涂塑牛奶纸盒 5年
皮鞋 25-40年
尼龙织物 30-40年
锡罐 50-100年
铝罐 80-100年
玻璃瓶 一百万年
聚苯乙烯泡沫杯 500年至永恒
塑料袋

3 塑料编辑

生物降解塑料是指在实际使用中保持机械强度，使用后分解成低重量化合物和无毒副产物的材料。[16]这种降解是通过微生物对材料的分解而实现的，这些材料通常是不溶于水的聚合物。[2]这种材料可以通过化学合成、微生物发酵和化学修饰的天然产物获得。[17]

塑料的生物降解速度千差万别。选择材质为聚氯乙烯的管道来处理污水，是因为聚氯乙烯抗生物降解。另一方面，一些包装材料正在开发中，一旦暴露在环境中就会容易降解。[18]合成聚合物生物降解快的例如聚已酸内酯，其他聚酯和芳族脂族酯，因为它们的酯键容易受到水的攻击。一个典型的例子是聚-3-羟基丁酸酯，可再生的聚乳酸，以及合成的聚己内酯。还有其他如纤维素基醋酸纤维素和纤维素(硝酸纤维素)。

在低氧条件下，塑料分解更慢。但分解过程可以在专门设计的堆肥堆中加速。淀粉基塑料在家庭堆肥箱中可以在两到四个月内降解，而聚乳酸基本上不分解，其分解需要更高的温度。[19]聚己内酯和聚己内酯-淀粉复合物分解较慢，但淀粉成分会留下多孔、高比表面积的聚己内酯，从而加速分解，然而这还是需要几个月的时间。[20]2016年，一种叫做阪崎肠杆菌 的细菌被发现可生物降解 PET 。

许多塑料生产商甚至宣称他们的塑料是可堆肥的，他们通常将玉米淀粉列为配料。然而，这些说法是有问题的，因为塑料行业是按照自己对堆肥的定义进行运作的：

在堆肥场中能够进行生物分解的物质，其分解速度与已知的可堆肥物质相一致，使物质在视觉上无法区分，并分解为二氧化碳、水、无机化合物和生物量(参考:ASTM D 6002)        [21]

“堆肥”一词常被非正式地用来描述包装材料的生物降解。堆肥的法律定义是堆肥产生的过程。。欧洲联盟提供了四个标准:[22][23]

  1. 化学成分:挥发性物质和重金属以及氟应受到限制。
  2. 生物降解能力:在6个月内通过生物工艺将90%的原物料转化为CO2、水和矿物质。
  3. 可分解性:至少90%的原始质量应分解成能够通过2x2 mm筛的颗粒。
  4. 质量:不含有毒物质和其他阻碍堆肥的物质。

4 生物降解技术编辑

目前，生物降解技术已成为一个高度发达的市场，在产品包装、生产和医药等领域有着广泛的应用。生物质的生物降解提供了一些指导。[24]众所周知，聚酯是可以生物降解的。[25]

氧化生物降解被欧洲标准组织( CEN)定义为“氧化和细胞介导的同时或相继发生的降解”，虽然有时被描述为“可氧化破碎”和“可氧化降解”，但这些术语仅描述第一阶段或氧化阶段，不应用于CEN定义的通过氧代生物降解过程降解的材料:正确的描述是“氧代生物降解”。

通过将塑料制品与只含有碳和氢的非常大的聚合物分子和空气中的氧气结合起来，这些产品可以在任何地方分解，分解时间从一周到一年到两年不等。这种反应即使没有可降解添加剂也能发生，但速度很慢。这就是为什么传统塑料一旦被丢弃，就会在环境中持续很长时间。氧代生物可降解制剂催化并加速生物降解过程，但需要相当多的技能和经验来平衡配方中的成分，以便为产品提供一定的使用寿命，然后再进行降解和生物降解。[26]

生物降解技术是生物医学领域中应用最为广泛的技术。生物可降解聚合物可分为三类:药用、生态和双重用途，按来源可分为天然和合成两大类。[16]超临界二氧化碳在室温高压下是一种溶剂，可以使用生物可降解塑料来制成聚合物药物涂料。这种聚合物(指的是一种由具有重复结构单元的分子组成的材料，它们形成一条长链)在注射到体内之前被用来封装药物，其基础是乳酸，一种通常在体内产生的化合物，因此能够自然排泄。该涂层设计用于在一段时间内控制释放，减少所需的注射次数，并最大限度地提高治疗效果。史蒂夫·豪德尔教授指出，生物可降解的聚合物对于药物的释放有特别的吸引力，因为一旦被引入体内，它们就不需要回收或进一步的操作，并且降解成可溶的、无毒的副产品。不同的聚合物在体内以不同的速率降解，因此可以对聚合物进行选择，以达到预期的释放速率。[27]

其他生物医学应用包括使用生物可降解的弹性形状记忆聚合物。生物可降解的植入材料现在可以通过可降解的热塑性聚合物用于微创外科手术。这些聚合物现在可以随着温度的升高而改变形状，从而产生形状记忆能力以及容易降解的缝合线。因此，植入物现在可以通过小切口植入，医生可以很容易地进行复杂的变形，缝合线和其他辅助材料在手术完成后可以自然地生物降解。[28]

5 生物降解与堆肥编辑

生物降解没有统一的定义，堆制肥料有多种定义，这导致了术语之间的混淆。它们经常被归为一类；然而，它们其实没有相同的含义。生物降解是指细菌和真菌等微生物或其他生物活性对材料的自然分解。[29]堆肥是人类在特定环境下进行生物降解的过程。[30]两者之间的主要区别是，一个过程是自然发生的，另一个是人为驱动的。

生物可降解材料能够在没有氧源的情况下(厌氧)分解成二氧化碳、水和生物质，但时间表没有非常明确的定义。类似地，可堆肥材料分解成二氧化碳、水和生物质；然而，可堆肥材料也会分解成无机化合物。堆肥的过程由人类控制，因此定义得更为明确。本质上，堆肥是一个加速的生物降解过程。[31]此外，堆肥的最终产物不仅会恢复到原来的状态，还会产生有益的微生物，并将其添加到土壤中，称为腐殖质。这种有机物可以用于花园和农场，有助于将来种植更健康的植物。[32]堆肥是在较短的时间内进行的，因为它是一个定义更明确的过程，而且是通过人为干预来加速的。生物降解可以在不同的情况下发生在不同的时间范围内，但必须是在没有人类干预的情况下自然发生的。 File:Organic Waste Disposal Streams.pdf 即使在堆肥过程中，也会出现不同的情况。堆肥的两种主要类型是家庭堆肥和商业堆肥。两者都产生可重复利用的健康土壤——主要区别在于哪些材料能够进入该过程。[31]家庭堆肥主要用于制造食物残渣和多余的花园材料，如杂草。商业堆肥能够分解更复杂的植物产品，如玉米基塑料和更大的材料块，如树枝。商业堆肥首先要用研磨机或其他机器对材料进行手工分解，然后再进行处理。因为家庭堆肥通常规模较小，不涉及大型机械，所以这些材料在家庭堆肥中不会完全分解。此外，一项研究对家庭堆肥和工业堆肥进行了比较，得出了两者各有利弊的结论。[33]

下面的研究提供了一些例子，其中堆肥被定义为在科学背景下生物降解的一个子集。第一项研究“在实验室测试环境中模拟堆肥条件下塑料生物降解性的评估”清楚地将堆肥作为一组属于降解范畴的环境来审查。”[34]此外，下一项研究着眼于化学和物理交联聚乳酸的生物降解和堆肥效应。[35]特别是讨论堆肥和生物降解这两个不同的术语。第三项也是最后一项研究回顾了欧洲包装工业中生物可降解和可堆肥材料的标准化，再次单独使用这些术语。[36]

这些术语之间的区别至关重要，因为废物管理的混乱导致了人们日常对材料的不当处理。生物降解技术极大地改善了我们处理废物的方式；现在有垃圾、回收和堆肥箱，以优化处理过程。然而，如果这些废物流经常被混淆，那么处理过程就根本没有优化。[37]可生物降解和可堆肥的材料已经开发出来，以确保更多的人类废物能够分解并恢复到以前的状态，或者在堆肥的情况下，向地面添加营养物质。[38]当一个可堆肥的产品被丢弃，而不是堆肥，送到垃圾填埋场时，这些发明和努力就白费了。因此，对于公民来说，理解这些术语之间的区别是非常重要的，这样才能正确有效地处理材料。

6 环境和社会影响编辑

非法倾倒所造成的塑料污染对野生动物的健康构成威胁。动物经常将塑料误认成食物摄入，从而造成肠道缠结。塑料中含有诸如多氯联苯、壬基酚和杀虫剂等降解缓慢的化学品，这些物质会释放到环境中，随后被野生动物摄入。[39]

雷切尔·卡森是20世纪60年代最著名的环境学家之一，他提供了部分关于野生动物，特别是鸟类在摄入化学物质之后所造成后果的首批关键研究成果。在她的作品寂静的春天中，她在DDT中写到，DDT是人类在农业活动中常用的一种杀虫剂。卡森发现鸟在摄入受污染的虫子之后更有可能产下蛋壳较薄的卵。[40]

这些化学品也会对人类的健康产生影响，因为食用受污染的食物(在生物放大和生物累积的过程中)可能与癌症的发生，[41]神经功能障碍，[42]荷尔蒙的变化等问题有关。通过生物放大作用而影响健康的最新例子是，鱼体内的汞含量已经高到了危险的程度，这可能会对人类的性激素产生影响。[43]

在尽力修复由缓慢降解的塑料、洗涤剂、金属和其他由人类产生的污染物所造成损害的同时，修复这些损害所带来的经济负担已经成为一个广泛关注的话题。尤其是海洋垃圾难以量化和评估。[44]世界贸易研究所的研究人员估计清理这些垃圾的花费(特别是在海洋生态系统中的垃圾)已经高达每年近130亿美元。[45]主要的担忧来自海洋环境，所以最主要的清理工作集中于对海洋垃圾带的清理。2017年，在太平洋发现了一个面积约有墨西哥大小的垃圾带。据估计这个垃圾带的面积超过一百万平方英里。虽然这个垃圾带中包含有(塑料瓶、罐子和袋子)明显可见的垃圾，是可以被清理掉的，但微小的微塑料颗粒几乎是不可能清理干净的。[46] 根据《国家地理》的报道，每年近3800万件不可被生物降解的材料进入了脆弱的环境中。[47]

未被降解的材料也可以作为诸如管状蠕虫和藤壶等入侵物种的避难所。当生态系统因外来入侵物种的影响而发生变化时，原本的常驻物种和资源的自然平衡、遗传多样性和物种丰富度也会随着这种变化而发生改变。[48]这些因素可能会以狩猎和水产养殖的方式支持当地经济，而这些都将因气候变化而受到影响。[49]同样，某些严重依赖生态旅游的沿海地区由于污染而导致收入降低，因为游客们不再想去他们的海滩或海岸参观旅行。世界贸易研究所还指出，经常能感受到因较低的生物降解带来不良影响的地区正是那些没有能力支付清理费用的贫穷国家。[45]在正反馈循环效应中，反过来他们又很难对自己的污染源进行有效的控制。[50]

7 “可生物降解”的词源编辑

1959年，生物可降解材料首次被用来描述可以被微生物分解成无害成分的材料。[51]现在生物可降解材料通常与环境友好型产品联系在一起，这些产品是地球固有循环的一部分，如碳循环，能够分解成自然元素。

8 笔记编辑

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