韩 娜,张春惠,卢 红,赖金龙,吴 国,陶宗娅

(四川师范大学 生命科学学院,四川 成都 610101)

土壤中低相对分子质量聚乙烯(L-PE)的提取及其降解特性研究

韩 娜,张春惠,卢 红,赖金龙,吴 国,陶宗娅*

(四川师范大学 生命科学学院,四川 成都 610101)

环境可降解地膜降解后形成大量低相对分子质量残体,这些低相对分子质量残留物累积在土壤耕作层,对土壤微环境及作物生长发育构成潜在危害.这些残留物可在土壤中进一步降解,但其降解进程尚不清楚.研究这类低相对分子质量残留物碎化降解和无机矿化进程,对进一步优化可降解地膜配方、生产工艺及提高可降解地膜的环境安全性具有重要的实践意义.选用相对分子质量分别为2 000(M1)、5 000(M2)和100 000以上(M3)的聚乙烯 (L-PE),以不同累积量(1、10、50和100 a量)添加到不同质地 (壤土、砂土、黏土) 的土壤中,经盆栽种植一季小麦后,采用十氢萘高温融化法从土壤中提取L-PE,用凝胶渗透色谱法(GPC)检测L-PE相对分子质量及其分布的变化.结果显示,十氢萘高温融化法未改变L-PE的结构特征;L-PE相对分子质量大于5 000时,其提取率达74.47%～97.48%,提取率随相对分子质量增加而提高;经盆栽种植一季小麦后,添加到土壤中的3种相对分子质量的L-PE(M1、M2、M3)均发生了不同程度的降解,降解效果为M3>M1>M2.

低相对分子质量聚乙烯(L-PE); 提取率; 平均相对分子质量表征参数

塑料地膜覆盖栽培技术被誉为世界农业发展史上的“白色革命”[1-3].随着农用地膜使用量快速增加,残留在土壤中的塑料薄膜碎片逐年累积,造成土壤板结、通透性变差、肥力下降,严重影响农作物的生长发育,甚至导致减产,形成触目惊心的“白色污染”[4-8].研究和推广使用可降解塑料地膜已成为解决这一现实问题的有效途径之一[9].现阶段可降解地膜主要有光降解地膜、生物降解地膜和光-生物复合降解地膜[10].可降解地膜逐步降解后,形成相对分子质量较低的聚合物,如聚氯乙烯(PVC) 、氯化聚乙烯(PE2C)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、低相对分子质量聚乙烯(L-PE)等.这些小分子残留物性质稳定、疏水性强,对土壤微环境及农作物生长产生深远的影响[11-18].另一方面,可降解地膜及其主成分聚乙烯等在土壤中的降解特性,也受到极大的关注.周艺峰等[19]采用力学性能测试法和红外光谱法,测定自制的光-生物双降解聚乙烯地膜的力学性能和化学结构变化;结果表明,地膜在降解初期是由于光敏剂引发的光降解,当聚乙烯相对分子质量降至5 000 左右时,受微生物侵蚀,具有了生物降解性.也有学者致力于构建从土壤中分离提取低相对分子质量残留物的方法,樊有国等[20]采用索氏提取法从土壤中分离提取聚乙烯粉末状残留物.

当前,针对从土壤中分离提取可降解地膜主成分L-PE的方法、L-PE能否进一步降解、降解程度等相关研究鲜有报道.本文以L-PE为试材,将其添加到盆栽土壤中,模拟可降解地膜降解后形成的粉末状残留物,种植一季小麦后,采用十氢萘高温融化法从盆栽土壤中分离提取残留的L-PE,并优化提取流程;采用凝胶渗透色谱法(GPC)测试分析L-PE相对分子质量及其分布的变化,初步探究L-PE在土壤中的降解特性,为评估环境可降解地膜的降解产物L-PE的环境安全性提供实践依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料供试小麦(TriticumaestivumL.)品名为川农16,购于四川农科种业有限公司.供试L-PE 的相对分子质量分别为2 000(M1)、5 000(M2)和100 000以上(M3),购于中国石油化工股份公司茂名分公司.供试土壤质地为壤土、沙土、黏土,其基本理化性质见表1.

表1 供试土壤样品基本理化性质Table 1 The basic physical and chemical properties of the soil samples

1.2 实验设计

1.2.1 土壤中不同L-PE累积量及提取率 将3种相对分子质量(M1、M2、M3)的L-PE分别添加在3种质地(壤土、沙土、黏土)的土壤中,其添加量是根据农业生产中90 kg/hm2覆膜量及覆膜1 a和连续覆膜5、10、50、100 a所需的覆膜量,分别折算为每千克土的L-PE添加量,即0.042 41 g/kg(1 a量)、0.212 05 g/kg(5 a量)、0.424 1 g/kg(10 a量)、2.120 5 g/kg(50 a量)和4.241 0 g/kg(100 a量)[21].准确称取L-PE添加到3种不同质地的土壤中,混匀,以不添加L-PE为对照0(CK0).待盆栽小麦成熟收获后,从土壤中提取L-PE.

1.2.2 L-PE相对分子质量及其分布测定 以M1、M2、M3原料作为对照1(CK1组);将M1、M2、M3按照上述5种累积量添加到无污染的土壤中,混匀后立即分离提取得到的L-PE作为对照2(CK2组);将M1、M2、M3按照上述5种累积量添加到无污染的土壤中,混匀,种植一季小麦后,从盆栽土壤中提取的L-PE为实验组(S组).采用凝胶渗透色谱法(GPC)检测CK1、CK2和S组的L-PE相对分子质量及其分布的变化.

1.3 实验方法

1.3.1 从土壤中提取L-PE 参照何晶[22]的方法,加以优化和修改,称为十氢萘高温融化法.具体步骤:1) 粗提:按混合取样原则称取盆栽土壤20 g置于烧杯中,加入蒸馏水淹没土壤5 cm左右,用玻棒充分搅拌,静置10 min,待泥土沉淀、白色小颗粒或粉末状聚乙烯浮于水面后,将液体转移至50 mL离心管,这一过程需多次进行,合并液体,常温下离心5 min,5 000 r/min;将上层液体倒入砂芯漏斗,抽滤,烘干.2) 提纯:用镊子或药匙小心将砂芯漏斗中的L-PE混合物刮下,转移至凯氏烧瓶,加入20 mL十氢萘,电热套加温至150 ℃,保温10～15 min;待L-PE完全溶解后,用布氏漏斗抽滤,立即将滤液转移至洁净培养皿中,置通风橱,待十氢萘完全挥发后,称重,计算L-PE提取率(%),保存样品备用.

1.3.2 L-PE相对分子质量及其分布的检测 采用凝胶渗透色谱法(美国WATERS:150C ALC/GPC,检测机构:中蓝晨光化工研究院).色谱条件:GPC色谱柱为styargel 103、102、50、10 nm,4根柱串联;测试温度(体系温度)105 ℃;流速1.0 mL/min;流动相:对二甲苯.聚合物相对分子质量的表征参数:数均相对分子质量(Mn)、重均相对分子质量(Mw)、Z均相对分子质量(Mz)、粘均相对分子质量(Mv)和多分散性系数(D)[21].

1.4 数据分析L-PE提取率(%)=单位质量土壤中L-PE的提取量/单位质量土壤中L-PE的添加量×100.采用SPSS 18.0进行统计分析,LSD多重比较.

2 结果与分析

2.1 L-PE相对分子质量、累积量及土壤质地对提取率的影响表2可知,从不同质地土壤中提取L-PE,M2(相对分子质量为5 000的L-PE)的提取率可达74.47%～ 92.50%,M3(相对分子质量100 000以上的L-PE)的提取率可达83.60%～97.48%.总体上看,M3的提取率高于M2,表明随着L-PE相对分子质量增加,从不同质地土壤中的提取率不同程度地提高.随着L-PE累积量的升高,M2、M3提取率总体上呈现先下降后上升趋势,其中M2从壤土中5、10 a累积量的提取率显著低于(P<0.05)1 a累积量的提取率,M3从3种质地土壤中5 a累积量的提取率均显著低于(P<0.05)1 a累积量的提取率,但 M2、M3从3种质地土壤中的提取率无显著性差异(P>0.05),表明本文采用的从土壤中提取L-PE的方法适合于不同质地的土壤.

表2 不同土壤质地和L-PE累积量对L-PE提取率的影响 Table 2 Effects of different soil texture and L-PE accumulation on extraction rates of L-PE

注:a表示在L-PE累积量相同情况下,从不同土壤质地中提取L-PE的提取率无显著性差异(P>0.05);A、B表示在土壤质 地相同情况下,从L-PE累积量不同的土壤中提取L-PE的提取率之间呈显著性差异(P<0.05).下同.

经多次反复实验表明,M1从不同质地土壤中的提取率均很低(<20.0%),其实验结果在表2及文中未列出,这可能是由于M1呈细粉末状,并与土壤颗粒紧密结合所致.因此,该方法不适用于相对分子质量低于2 000的L-PE从土壤中的分离提取.

综上,采用本文所述的十氢萘高温融化方法,M2从土壤中的提取率达到74%以上,M3可达83%以上,对M2、M3都有较高的提取率,且随着L-PE相对分子质量增加,其提取率不同程度提高,表明该方法可用于从不同质地土壤中,提取L-PE相对分子质量大于5 000的环境可降解地膜降解后的残留物.

2.2 L-PE相对分子质量及其分布的变化前已提到,从不同质地土壤中提取M1的提取率均很低,本研究用提取到的少量M1用于其相对分子质量及其分布的检测.分别对M1、M2、M3的原料(CK1组)、添加到土壤中混匀后立即提取的L-PE(CK2组)、种植一季小麦后从土壤中提取的L-PE(S组)进行GPC检测.检测物的相对分子质量越低,洗脱时间越长.

结果表明(表3),3种相对分子质量L-PE的CK1、CK2的峰值时间基本没有变化;与CK1、CK2比较,S组的峰值时间均有所延长.因此,本文采用的十氢萘高温融化法不会造成L-PE相对分子质量的改变;同时表明种植一季小麦后,从土壤中提取的M1、M2、M3的相对分子质量均有所降低.可以推测,添加在土壤中的L-PE能够发生一定程度的降解.

表3 不同来源L-PE的GPC检测结果Table 3 The results of L-PE from different treatments by the method of GPC

注:CK1组为原料,CK2组和S组为提取自小麦盆栽壤土;提 取自沙土和黏土的测试分析结果未列入.下同.

表4可见,3种相对分子质量M1、M2、M3的不同处理中,S组L-PE的各相对分子质量均低于CK1和CK2,即从小麦成熟期后的盆栽土壤中提取的L-PE的表征参数值均相对最低;3种相对分子质量L-PE的多分散性系数(D)为M3>M2>M1,表明经种植一季小麦后,土壤中的L-PE均不同程度降低,且M3降解残留物的相对分子质量的分布更广,分散性更强.

进一步分析可知(表5),与CK1、CK2比较,M1的S组(S/CK1、S/CK2)的各表征参数相对变化率主要表现为降低,其中Mn分别降低了8.07%和18.69%,Mz分别降低了15.38%和21.47%,Mv分别降低了8.07%和18.68%,D也分别降低了10.5%和5.42%,表明M1在土壤中存在一段时间后发生了不同程度的降解.与CK1、CK2比较,M2的S处理的各表征参数相对变化率较小,表明M2在土壤中的降解程度低于M1.M3的S组Mn、Mw、Mz、Mv的相对变化率均显著降低,其中Mz降低达52.35%,D值增加了3.11%,表明添加在土壤中的M3经过小麦从种植到成熟一个生长季后,其相对分子质量大幅降低,更易于降解,且形成相对分子质量大小不均一的降解残留物.

表4 不同处理对L-PE平均相对分子质量表征参数的影响Table 4 Effects of different treatments on the changes of the characteristic parameters of L-PE average molecular weight

表5 不同处理对L-PE平均相对分子质量表征参数相对变化率(%)的影响Table 5 Effects of different treatments on the relative change ratios(%) of the characteristic parameters of L-PE average molecular weight

3 讨论

聚乙烯属于线性饱和碳氢化合物,其结构与石蜡的长链烷烃类似,相对分子质量大都在2万以上.聚乙烯生物降解的难易程度直接与其相对分子质量有关.一般情况下,聚乙烯在土壤中完全被微生物同化并降解成CO2和水,实现无机矿化,大约需要200～400 a,导致以聚乙烯为主要成分的塑料废弃物和农用地膜残留物在环境中大量积累[23-27].环境可降解地膜的降解周期短[7],降解后主要形成膜碎片及低相对分子质量残体(如L-PE).研究表明,土壤中一定累积量的L-PE对农作物并无不利影响[12],但残留物过多难免会造成环境污染及资源浪费.研究可降解地膜残留物低相对分子质量碎化过程和无机矿化进程,对优化可降解地膜配方、生产工艺及提高可降解地膜的环境安全性和友好性具有重要的实践意义.

本研究采用十氢萘作为提取剂,改良提取流程和控制参数,分离提取回收土壤中的L-PE及其降解残留物开展进一步研究,结果显示,当L-PE相对分子质量大于5 000时,提取效果较好,方法稳定可靠.凝胶渗透色谱法(GPC)分析聚合物相对分子质量及其分布,样品制备简便,检测快速,且具有良好的重复性和再现性,为分析聚合物相对分子质量及其分布提供了一种可靠、快捷的检测手段[28].本研究应用GPC法中的峰值时间分析不同处理下L-PE(表3)的相对分子质量,结果显示,CK1、CK2的峰值时间基本相同,表明L-PE相对分子质量基本没有改变,这说明十氢萘高温融化法提取L-PE不会改变聚合物或残留物本身的结构特征,未发生降解或聚合反应.因此该方法可用于对环境可降解地膜降解形成的低相对分子质量聚合物是否进一步发生降解及其降解程度的研究.

除少数天然高分子如蛋白质、DNA等外,高分子聚合物的相对分子质量大,往往由许多相同且简单的结构单元通过共价键重复连接而成,具有相对分子质量和结构的多分散性,其相对分子质量实质上都是指平均相对分子质量.由于统计方法不同,可有4种平均相对分子质量,即数均相对分子质量(Mn)、重均相对分子质量(Mw)、Z均相对分子质量(Mz)和粘均相对分子质量(Mv).Mn强调某一范围中分子数量最多的部分对平均相对分子质量做出的贡献,Mw强调相对分子质量最高的部分对平均相对分子质量做出的贡献,Mz可近似理解为高相对分子质量部分所占比重,反映高相对分子质量、超高相对分子质量组分的相对分子质量信息,Mv一般介于数均相对分子质量与重均相对分子质量之间.本研究显示,十氢萘高温融化法不会造成L-PE的结构和相对分子质量发生明显改变,但CK2的4种平均相对分子质量比CK1均有所增加(表4),多分散性系数(D)减小,可能是由于经十氢萘高温融化后,L-PE相对分子质量相对集中.从小麦盆栽土壤中提取的L-PE(S组)出峰时间延长,平均相对分子质量检测结果均低于CK1和CK2,且Mn和Mw明显降低,D值提高,表明添加在土壤中的L-PE发生了不同程度的降解,其降解程度为M3>M1>M2.

综上所述,本文构建和优化了十氢萘高温融化法提取L-PE的技术流程,提取率高,稳定性好.采用凝胶渗透色谱法(GPC)可精准检测L-PE相对分子质量及其分布的变化,为环境可降解地膜残留物低相对分子质量碎化和矿化研究提供实践依据.将L-PE添加在种植小麦的土壤中一段时间后,不同相对分子质量的L-PE(M1、M2和M3)均可发生不同程度的降解,且M3降解程度最大,其次是M1,最终实现可降解地膜的无害化以及环境友好性和安全性.

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(编辑 余 毅)

Study on Extraction Rates and Degradation Characteristicsof Low Relative Molecular Weight Polyethylene (L-PE) in Potted-Soil

HAN Na,ZHANG Chunhui,LU Hong,LAI Jinlong,WU Guo,TAO Zongya

(CollegeofLifeScience,SichuanNormalUniversity,Chengdu610101,Sichuan)

Biodegradable plastic mulch film was degraded to form a large number of relative low molecular weight residues,which were accumulated in plough horizon so much and had caused latent risk to the soil microenvironment and the growth and development of crop.These residues can be further degradation in soil,but they are not clear in the process of further degradation.The research on the process of fragmentation and biomineralization of the relative low molecular weight residues was of great practical significance for optimizing the formula and production technology of biodegradable plastic mulch film and for evaluating the environmental safety of the degradable mulch film.In the experiments,low relative molecular weight polyethylene (L-PE) with different relative molecular weight of 2 000(M1),5 000(M2),100 000 above (M3) and different accumulation (1,10,50,100 year respectively) were added into potted-soils with different soil texture (loam,sandy soil and clay),in which wheat were planted.When the wheat were ripe and harvested,L-PE was extracted from the soils by decahydronaphthalene,and the relative molecular weight and their distribution changes were detected by the method of the gel permeation chromatography (GPC) .The results showed that the structure characteristics of L-PE was not obviously changed by the method of decahydronaphthalene and high temperature melting.When the relative molecular weight of L-PE were more than 5 000,the extraction rate were 74.47%～97.48%,and the rates were greater as the increase of L-PE relative molecular weight.Experienced a growing season of wheat,L-PE (M1,M2,M3) could be degraded in different degrees in the potted-soils,the degradation effects was M3>M1>M2.

low relative molecular weight polyethylene (L-PE); extraction rate; the characteristic parameters of L-PE average relative molecular weight

2016-02-21

国家核设施退役及放射性废物治理重点项目(14ZG6101)、四川省教育厅自然科学重点基金(14ZA0030)和地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目(201610636090)

X53

A

1001-8395(2017)02-0228-06

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.02.015

*通信作者简介:陶宗娅(1957—),女,教授,主要从事植物逆境生理生化及分子生物学的研究,E-mail:t89807596@163.com