一步法微波制备源自废弃马铃薯的双功能薄膜：一种可持续的替代塑料的覆盖物-肥料材料

《Environmental Research》：One-step microwave fabrication of waste potato-derived bifunctional film: sustainable mulch-fertilizer for plastic substitution

废弃土豆浆经微波辅助交联10分钟制备出兼具缓释肥料和抗紫外线功能的可降解地膜，机械强度超聚乙烯地膜23%，生物降解性优于聚乳酸地膜，经济性具备商业化潜力。

　　这项研究针对农业中常见的塑料污染和食品废弃物问题，提出了一种创新性的解决方案。研究人员通过微波驱动的交联技术，在短短10分钟内将废弃土豆浆（WPS）转化为一种具有双重功能的可生物降解地膜材料——功能化可生物降解地膜（FAPBMF）。这种地膜不仅能够有效替代传统聚乙烯地膜（PEF），还具备一定的肥料释放功能，为农业可持续发展提供了新的思路。

农业地膜在现代种植中起着至关重要的作用，能够有效调节土壤温度和湿度，提高作物产量。然而，传统地膜材料如聚乙烯由于其难以降解的特性，导致大量塑料废弃物在农田中积累，对土壤环境和生态系统造成严重影响。据研究数据，全球每年农业地膜的使用量超过400万吨，其中大部分为聚乙烯材料。这类材料在自然环境中降解缓慢，不仅造成资源浪费，还可能分解为微塑料和纳米塑料，进一步污染土壤和地下水。此外，聚乙烯地膜中可能含有增塑剂等添加剂，这些物质在使用过程中容易迁移至土壤，最终通过食物链进入人体，对健康构成潜在威胁。

为了应对这些问题，科学家们一直在探索可生物降解地膜的替代方案。这类地膜通常由天然可降解材料制成，例如聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PBAT）等，它们在使用后能够在土壤中自然分解，减少对环境的负担。然而，现有的可生物降解地膜在成本、降解效率和功能性方面仍存在不足。一方面，生产成本较高，难以与传统聚乙烯地膜竞争；另一方面，某些可生物降解地膜在非理想条件下（如低温或低湿度）降解不完全，可能影响土壤生态系统的稳定性。

因此，研究团队决定从农业废弃物中寻找可再生资源，以降低地膜的生产成本并提高其环境友好性。土豆作为全球广泛种植的作物，其加工过程中会产生大量废弃副产品，包括淀粉含量高的土豆浆。这些废弃物通常被丢弃或简单处理，未能得到充分利用。研究人员提出，利用这些废弃物作为原料，结合微波技术，可以实现快速、高效且环保的地膜制造。

微波技术因其高效的能量利用和快速加热特性，在材料加工和食品处理领域得到了广泛应用。通过微波加热，可以促进天然高分子材料的交联反应，形成具有优良性能的复合材料。在本研究中，研究人员利用微波驱动的交联技术，将废弃土豆浆与柠檬酸（CA）和富里酸（FA）结合，成功制备出一种新型可生物降解地膜。该地膜在10分钟内完成制造，不仅大幅缩短了生产时间，还提高了材料的稳定性和功能性。

这种新型地膜（FAPBMF）具有多重优势。首先，它在拉伸强度方面比传统聚乙烯地膜高出23%，能够更好地适应农业生产的需求。其次，它具备良好的紫外线屏蔽效果，有助于保护作物免受紫外线伤害。此外，FAPBMF中掺入的富里酸能够在40天内释放53.4%，为土壤提供持续的养分补充，从而改善土壤质量。同时，由于其具备一定的热和水分保持能力，能够促进作物生长，提高农业产量。

研究人员还通过盆栽试验和田间试验对FAPBMF的性能进行了系统评估。结果显示，该地膜在促进作物生长、改善土壤结构以及保障生物安全性方面表现优于传统聚乙烯地膜。这种地膜不仅能够减少塑料污染，还能实现食品废弃物的资源化利用，为农业废弃物的循环利用提供了新的途径。

为了验证该技术的可扩展性和商业化潜力，研究团队进行了规模化试验，采用连续微波传送带系统进行地膜生产。试验结果表明，该方法具备良好的可重复性和稳定性，能够满足大规模生产的需求。同时，经济分析显示，FAPBMF在成本上与传统聚乙烯地膜和聚乳酸地膜（PLAF）相比更具竞争力，主要得益于其在现场快速降解的能力，从而降低了后期处理和清理的成本。

这项研究的意义在于，它提供了一种快速、高效且环保的地膜制造方法，能够将食品废弃物转化为具有实用价值的农业材料。通过微波技术的引入，研究人员不仅提高了地膜的生产效率，还增强了其性能和功能性。此外，该方法还能够减少对环境的污染，推动农业废弃物的循环利用，为实现可持续农业提供了一种新的解决方案。

在实验过程中，研究人员使用了多种化学试剂和材料。其中，废弃土豆浆作为主要原料，其成分包括20%的淀粉、2.5%的纤维素、2.5%的蛋白质和0.2%的脂类。这些成分为地膜的形成提供了必要的基础。其他辅料包括硫酸铵（≥99%纯度）、富里酸（90%纯度）和柠檬酸（≥99.5%纯度）。此外，实验中还使用了石英砂（110-160目）作为测试材料的一部分。

在对FAPBMF的物理性能进行分析时，研究人员发现，单独使用废弃土豆浆或添加其他材料时，若不经过微波处理，难以形成稳定的地膜结构。然而，微波加热能够有效促进材料的交联反应，使其形成具有稳定结构的薄膜。通过对比实验，研究人员发现，含有柠檬酸的初始地膜表现出更高的亲水性（接触角为47.64°，比FAPBMF的63.53°低24.7%）和更高的水蒸气透过率（351.82 g·m?2·d?1，比FAPBMF高29.5%）。这些特性表明，微波加热能够显著改变材料的物理性能，使其更适合农业应用。

在结论部分，研究人员强调了FAPBMF在多个方面的优势。首先，它能够在10分钟内完成制造，效率远高于传统方法。其次，其厚度为0.10毫米，接触角为63.5°，表现出良好的热稳定性和水阻隔能力。这些特性使其能够有效调节土壤环境，提高作物生长效率。此外，FAPBMF在拉伸强度方面优于传统聚乙烯地膜，同时具备与黑色聚乙烯地膜相当的紫外线屏蔽效果，进一步增强了其在农业中的适用性。

这项研究的创新点主要体现在三个方面。首先，引入了微波辅助交联技术，使得废弃土豆浆能够在短时间内转化为稳定的地膜材料。其次，FAPBMF不仅具备可生物降解性，还具有热和水分保持能力，并能够缓慢释放富里酸，从而改善土壤质量。第三，该技术为食品废弃物的回收利用提供了新的可能性，有助于减少农业废弃物对环境的影响。

研究人员还指出，这种新型地膜的开发不仅有助于解决塑料污染问题，还能够推动农业废弃物的资源化利用。通过将食品废弃物转化为具有实际功能的农业材料，不仅减少了废弃物的产生，还为农业提供了额外的经济价值。此外，该技术的可扩展性也为未来大规模生产提供了可行性，有望在农业领域得到广泛应用。

总之，这项研究为农业废弃物的回收利用和可生物降解地膜的开发提供了一种新的思路。通过微波辅助交联技术，研究人员成功将废弃土豆浆转化为具有多种功能的可生物降解地膜，不仅提高了地膜的性能，还降低了其生产成本和环境影响。这一成果对于推动农业可持续发展、减少塑料污染以及实现资源循环利用具有重要意义。