【瑞士步琦】使用E-800精准测定土壤中的可降解塑料含量

简介

可降解塑料领域方兴未艾，有广阔的市场空间。塑料是现代化工行业最重要的材料之一，但是因生产使用导致的“白色污染”问题被广泛关注。唯有可降解塑料可以根本性解决白色污染问题，其中 PLA 和 PBAT 性能优良、生产技术较成熟、产业化程度较高，是未来行业发展主流，发展前景巨大。市面上大规模使用的可降解塑料产品都经过了改性或复合，比如商超大规模使用的可降解塑料袋就是 PLA 与 PBAT 的复合材料。

聚乳酸（PLA）是一种新型的生物基及可再生生物降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米、木薯等）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸，再通过化学合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境。

PBAT(Polybutylene Adipate Terephthalate) 是聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯的缩写，它是一种极易生物降解的材料，用 PBAT 制成的产品在天然微生物和细菌的帮助下很容易分解。

本篇应用文章介绍了一种从农业土壤中提取可生物降解的聚合物（PBAT）和聚乳酸（PLA）的方法，使用步琦萃取仪 E-800 对样品进行提取，该方法能够对 PBAT 和 PLA 进行精确定量。

在生物降解研究中能够长期跟踪这些覆盖膜在土壤中的生物降解情况，也是为了量化在反复施用过这些产品的农田中农业土壤中可生物降解聚酯的含量。最近的一项研究表明，索氏提取法结合核磁共振波谱法可用于农业土壤中可生物降解的聚乳酸（PBAT）的含量测定(Nelson et al., 2020 [1])。

在生物降解过程中，在氧气存在的情况下，聚合物中的碳(C_polymer)被微生物利用，形成二氧化碳(CO₂)和新的微生物生物量(C_{microbial biomass})（如下方程）：

实验设备

• 索氏萃取仪 E-800 Pro

• 分析天平（精度 ±0.05 mg）

• 核磁共振波谱仪（Bruker Avance III 400 MHz ）

• 冷冻干燥机（BUCHI L-250）

化学品与材料

堆肥与聚合物：

• 6S 级参考农业用土，筛分至＜2mm

• 可生物降解的覆盖膜，含 56.3% 的 PBAT 和 13.7% 的PLA

实验过程

从土壤中对可生物降解地膜中的聚乳酸（PBAT）和聚乳酸（PLA）进行提取和分析包括以下步骤：

1. 土壤的冷冻干燥和加标

2. 使用索氏萃取仪 E-800 进行提取

3. 蒸发至干

4. 用内标法在 CDCl₃ 中重建提取物

5. 通过核磁共振对聚乳酸（PLA）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）进行定量分析

4.1 土壤的冷冻干燥处理

1. 土壤筛分后取 100g/份进行冷冻干燥

2. 将 11g 冻干后的土壤称入萃取纸滤筒中，并记录确切的重量。

3. 在样品中加入标称量为 3.7、8、17.7、37.2、79.7和177.2mg 的聚合膜（对应于2.1、4.5、10、21、45 和 100mg PBAT 和 0.5、1.1、2.4、5.1、10.9 和 24.3mg PLA）。

4.2 使用索氏萃取仪 E-800 进行索氏提取

根据下表中列出的参数启动索氏提取

4.3 通过核磁共振氢谱对聚乳酸（PLA）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）进行定量分析

结果

从堆肥中提取的 PBAT 的氢谱如图2所示（在堆肥中分别添加 2mg 和 21mg PBAT 的一个选定样品）

根据 Nelson et al., 2020[1]，将内标 DMB 与 PBAT 和 PLA 的光谱峰下面积进行积分，得到提取的 PBAT 和 PLA 的质量。

表3概述了使用 E-800 对添加不同量地膜的样品提取 PBAT 和 PLA 的量，计算的回收率及其标准如表3和图3所示。

PBAT 和 PLA 的回收率都在可接受的范围内，PLA 从 92% 到 101%，PBAT 的平均回收率为 100.8%，PLA 的平均回收率为 101.5%，这些结果表明，PBAT 和 PLA 都是定量提取，而不需要对提取物进行纯化（即土壤中的有机质对 PBAT 和 PLA 的干扰很小）。

结论

使用索氏萃取仪 E-800 从农业土壤中提取含聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）和聚乳酸（PLA）的生物可降解覆盖膜，能够对PBAT 和 PLA 进行可靠且精确的定量分析，zui低检测浓度约为每11 g干燥土样含2 mgPBAT和 0.5mgPLA，且该方法可扩展到其他聚合物的测定分析过程。

参考文献

1. Nelson, T. F., S.C. Remke, H.-P. E. Kohler, K. McNeill, and M. Sander; Quantification of Synthetic Polyesters from Biodegradable Mulch Films in Soils. Environmental Science & Technology 2020 54 (1), 266-275; DOI: 10.1021/acs.est.9b05863