生物分解和崩解能力测试 - 中析研究所生物检测中心

生物分解与崩解能力测试：解读材料的生态归宿

在追求可持续发展的全球浪潮中，“可生物降解”和“可堆肥”材料日益受到关注。然而，如何科学验证这些宣称？生物分解能力测试与崩解能力测试正是解开材料在自然或人工环境中最终归宿的关键钥匙，确保环保承诺不流于空谈。

一、核心概念辨析：分解与崩解

生物分解：
- 定义： 指材料在特定环境条件下（如土壤、堆肥、水体），在微生物（细菌、真菌等）及其酶的作用下，被分解代谢为二氧化碳（CO₂）、水（H₂O）、矿物盐及新的生物质（微生物细胞）的自然过程。
- 核心： 材料的化学结构发生断裂和转化，最终被微生物同化利用，回归自然界的物质循环。衡量的是材料化学层面的消失。
- 关键指标： 生物分解率：指材料中的有机碳在规定时间内被微生物转化为CO₂的比例（相对于理论最大产生量）。通常要求达到较高比例（如90%以上才算“完全”生物分解）并在限定时间内完成。
崩解：
- 定义： 指材料在特定环境（尤其是堆肥）的物理和生物因素（如机械搅拌、微生物活动、湿度、温度）作用下，物理碎裂成非常细小碎片的过程。这些碎片可能肉眼难以辨识（如可通过特定孔径筛网）。
- 核心： 材料物理形态的破碎和分散。崩解是生物分解的重要先决条件（增大了微生物的作用表面积），但崩解本身并不意味着材料已完全生物分解。衡量的是材料物理层面的消失（宏观结构）。
- 关键指标： 崩解度：通常指在标准测试期结束后，测试材料残余物中未能通过特定孔径（如2mm）筛网的碎片占总干重的百分比（要求极低，如<10%）。

简单概括：

崩解： 材料“破碎化”、“看不见了”（物理变化为主）。
生物分解： 材料“被吃掉了”、“化掉了”（化学变化为主）。
关系： 崩解通常是生物分解过程的前奏和助力，但崩解良好的材料未必能完全生物分解（可能残留微塑料等不可生物分解碎片）。完全的生物分解必然伴随着材料的崩解。

二、为何测试至关重要？

验证环保宣称： 为“可生物降解”、“可堆肥”等市场宣传提供科学背书，防止“漂绿”行为，保护消费者权益。
评估环境影响： 预测材料在特定环境（垃圾填埋场、土壤、海洋、工业堆肥厂）中的降解行为和残留风险，评估其对生态系统的潜在影响。
指导产品设计与标准制定： 为研发新型环保材料提供性能基准和目标，支撑相关产品标准和废弃物管理政策的制定（如哪些材料可进入工业堆肥系统）。
推动循环经济： 确保标称可堆肥材料在堆肥设施中能有效转化为高质量的堆肥，实现有机废弃物的资源化循环利用。

三、生物分解能力测试方法

测试通常在受控的实验室条件下模拟目标环境进行，主要监测微生物呼吸作用产生的CO₂。

主要测试标准：
- ISO 14855 系列： 测定堆肥条件下塑料材料最终需氧生物分解能力（原理：测量CO₂释放量）。是国际通用的核心标准。常用部分包括：
  - ISO 14855-1: 使用密闭呼吸计（如苏普兰呼吸仪）。
  - ISO 14855-2: 使用生产规模堆肥条件下二氧化碳演变的测定（重量分析法）。
- ASTM D5338: 标准试验方法，用于控制堆肥条件下塑料材料的好氧生物降解测试（原理与ISO 14855类似）。
- ISO 17556: 测定塑料材料在土壤中的最终需氧生物分解能力（原理：测量CO₂释放量或氧消耗量）。
- ISO 19679 / ASTM D7991: 测定塑料材料在海水中悬浮的需氧生物分解程度（原理：测量氧消耗量）。
- OECD 301 系列: 化学品测试指南，包含多种测定化学品快速生物降解性的方法（如301B：改进的斯特姆测试），有时也用于评估材料的基本生物降解潜力。
关键要素：
- 测试基质： 根据模拟环境选择（如成熟堆肥、土壤、海水、活性污泥）。
- 接种物： 提供微生物来源（如取自堆肥厂、污水处理厂、特定土壤/海水）。
- 环境条件： 严格控制温度、湿度、通气量等（如堆肥条件通常为58°C ±2°C）。
- 参比物： 使用已知易生物分解的物质（如微晶纤维素、苯甲酸钠）作为阳性对照，验证测试系统的有效性。
- 空白组： 只含接种物和基质的对照组，用于扣除背景呼吸。
- 测试周期： 通常持续数月（如堆肥测试最长180天），直至达到降解平台期或满足标准要求。
- 测量： 主要监测CO₂产生量（或O₂消耗量），计算相对于参比物和理论最大值的生物分解率。
结果判定：
- 生物分解率曲线通常呈现“S”型：延滞期 -> 快速分解期 -> 平台期。
- 判定“通过”需满足：最终生物分解率达到标准要求（如ISO 14855要求相对于纤维素，测试材料在180天内的生物分解率无明显差异，且最终生物分解率需≥90%，或在达到90%的平台期后，相对生物分解率≥90%），同时阴性对照（如PE塑料）分解率很低，阳性对照（如纤维素）分解率符合要求。

四、崩解能力测试方法

测试主要在模拟工业堆肥环境的中试或实际规模下进行，评估材料物理破碎程度。

主要测试标准：
- ISO 16929： 塑料-在定义的中试规模堆肥条件下塑料材料崩解程度的测定。
- ASTM D 5975 (已撤消，但方法仍被参考) / ISO 20200 (实验室规模模拟)： 实验室规模下塑料材料崩解程度的测定（ISO 20200更侧重实验室模拟）。
- EN 14045： 包装 - 包装材料在堆肥化条件下崩解能力的评估（欧洲标准）。
关键要素：
- 测试规模： 可在实验室模拟反应器（较小规模）或中试规模堆肥装置（更接近实际）中进行。
- 堆肥过程： 将测试材料与有机废弃物（如食物垃圾、园林垃圾）、成熟堆肥（作为微生物接种源）按比例混合，放入堆肥反应器或装置。
- 环境控制： 模拟工业堆肥条件（温度周期：升温期->高温期->降温期；定期翻堆；控制湿度、通气）。
- 测试周期: 通常覆盖完整的堆肥周期（如12周左右）。
- 取样与筛分： 在测试期结束时（或期间），取出堆肥物料，进行干燥（如果需要），然后用规定孔径（通常是2.0mm）的筛网进行筛分。
- 重量分析： 称量筛余物（即未能通过筛网的大块残余物）的重量。
结果判定：
- 崩解度 (Disintegration Degree)： 计算公式一般为： 崩解度 (%) = [ (W₀ - Wᵣ) / W₀ ] × 100 其中：W₀ = 测试材料的初始干重； Wᵣ = 筛余物干重。
- 判定“通过”： 要求筛余物干重占初始测试材料干重的百分比 低于规定限值（例如，常见的标准要求≤10%，即崩解度≥90%），且残余物中不应含有肉眼清晰可见（>2mm）的测试材料碎片。

五、测试结果的应用与局限性

应用：
- 产品认证： 通过符合特定标准的测试是获得国际权威生物降解/堆肥认证（如DIN-Geprüft Industrial Compostable (DIN CERTCO), Seedling Logo (European Bioplastics), BPI Compostable (US)）的核心依据。
- 产品标签： 支持产品包装上“可工业堆肥”（需满足特定标准的生物分解和崩解要求）或“可家庭堆肥”（通常要求更温和条件下也能分解）等标识。
- 法规遵从： 满足特定国家/地区对一次性塑料制品或包装材料的强制性生物降解/堆肥要求。
- 研发优化： 指导材料配方改进和生产工艺调整。
- 废弃物管理决策： 帮助废弃物处理设施判断某种材料是否适合进入其堆肥或厌氧消化系统。
重要局限性：
- 实验室 vs. 现实世界： 实验室测试是标准化、受控的理想条件，不能完全等同于复杂多变、条件各异（温度、湿度、微生物群落、管理方式）的真实环境（如海洋、土壤、家庭堆肥堆、不同水平的工业堆肥厂）。材料在实际环境中的表现可能差异很大。
- 时间尺度： 实验室测试有固定周期（如180天），但自然环境中完全分解可能需要远超此时间。
- 残留物影响： 通过崩解测试（碎片<2mm）甚至达到较高生物分解率的材料，仍可能在环境中残留微塑料或未能完全矿化的有机碎片，其长期生态风险仍需关注。
- 环境特异性： “可生物降解”并非通用属性。在土壤中可分解的材料在海水中可能极难分解，反之亦然。必须明确指出材料适用的特定环境（如“工业堆肥条件下可生物降解”）。
- 添加剂影响： 测试通常针对均质材料。材料中的添加剂（增塑剂、颜料、稳定剂等）可能影响其生物分解行为和环境安全性。

结论

生物分解能力测试和崩解能力测试是评估材料环境归宿不可或缺的科学工具。它们通过严谨的标准方法，量化材料在特定环境（如堆肥）中被微生物化学分解（生物分解）和物理破碎（崩解）的程度。理解这两者的区别与联系至关重要：崩解是分解的必要步骤而非终点，只有两者都达到高标准要求（如生物分解率 ≥90%，崩解度 ≥90%且残余<10%通过2mm筛），材料才可能真正实现其“可堆肥”的环保价值。

然而，必须清醒认识到实验室测试的局限性，其结果不等同于材料在所有真实环境中的表现。测试结果是材料环境性能的重要“通行证”，但绝不意味着随意丢弃无害。推动环保材料的应用，核心在于建立相匹配的废弃物分类收集和处理体系（如高效的工业堆肥设施），确保这些材料能进入设计好的归宿点，完成从“摇篮”到“新生命”（堆肥）的真正循环。只有科学验证、清晰标识、完善设施、公众参与多管齐下，生物降解材料才能真正成为解决塑料污染、迈向循环经济的有效途径。