通过添加酸化或氧化生物炭调控聚(3-羟基丁酸酯)生物降解速率及其环境效应研究

本研究创新性地利用酸化(HCl)和氧化(H2O2)改性生物炭调控聚(3-羟基丁酸酯)(PHB)的生物降解性能。通过多种表征手段(DSC/TGA/XRD等)证实改性生物炭可显著延缓PHB在土壤中的降解速率(矿化率从87%降至37-64%)，同时不影响材料热性能与环境安全性。该研究为开发可控降解的环保高分子材料提供了新策略。

　　

Highlight

材料与化学品

聚(3-羟基丁酸酯)(PHB)（技术级无添加剂）由Cupriavidus necator菌株以d-葡萄糖为培养基生物合成（分子量M_n 87,910 g·mol^?1，M_w 437,900 g·mol^?1，分散指数4.98），购自中国天安生物材料有限公司。生物炭由捷克科学院化学过程基础研究所M. Poho?ely友情提供。马来酸酐(MA)购自Sigma-Aldrich公司，其余化学试剂均为分析纯。

改性生物炭表征

通过X射线荧光光谱(XRF)对未处理和化学改性生物炭的无机元素组成进行分析。结果显示经H₂O₂或MA处理的样品元素组成未发生显著变化，均含有Fe、Ca、P、Si、K、Al和S元素。而经HCl改性的生物炭则保留了氯元素，表明HCl处理成功引入了氯组分。

结论

本研究探索了氧化和酸化生物炭作为环境友好型化合物延缓生物降解的应用潜力。实验结果表明PHB薄膜的结构与功能特性受所添加生物炭特性的影响，特别是生物炭的结晶度会引发薄膜结晶度的改变。差示扫描量热法(DSC)和偏光显微镜(POM)证实未处理和酸处理生物炭均能诱导聚合物基体形成更规整的晶体结构。呼吸计量数据表明，添加1 wt%改性生物炭可使PHB在土壤中的生物矿化率从87%显著降低至37-64%。微生物群落测序分析显示，早期定植于薄膜表面的生物膜群落组成受聚合物基质中生物炭类型的显著影响。值得注意的是，所有薄膜在河流环境中仅1个月即降解超过50%，且改性生物炭补充的PHB材料对植物培育和河流环境均未产生负面影响。