PET 理化预处理对其生物降解的影响：为塑料污染治理开辟新路径

为解决 PET 塑料污染问题，研究人员开展 “PET 的理化预处理及其对生物降解的影响” 研究。通过多种预处理及水解实验，发现不同预处理对 PET 降解影响各异，为生物水解聚合物提供依据，对实现塑料循环经济意义重大。

　　塑料，在现代生活中无处不在，从日常的水瓶、包装材料，到各类纺织纤维，聚对苯二甲酸乙二酯（PET）塑料凭借其优良特性广泛应用。然而，正是这些特性导致 PET 极难分解，在环境中大量堆积，引发了严重的塑料污染问题。据统计，2021 年全球生产了 390.7 百万吨塑料，其中 PET 占 6.2%；2022 年加拿大仅回收了 45% 的刚性 PET 废物 。传统的回收技术存在诸多弊端，如将 PET 产品熔融后用于生产低价值产品，会导致塑料性能下降，还可能使化学物质迁移到食品和药品中。寻找高效、环保的 PET 处理方法迫在眉睫。

在这样的背景下，加拿大湖首大学（Lakehead University）的研究人员开展了一项关于 “Pretreatment of polyethylene terephthalate (PET) using physicochemical methods and their effects on biodegradation” 的研究，相关成果发表在《Biotechnology for the Environment》杂志上。这项研究聚焦于 PET 的理化预处理对其生物降解的影响，为解决塑料污染问题提供了新的思路和方向。

研究人员采用了多种关键技术方法。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析 PET 薄膜在预处理前后的分子结构变化，通过观察特征吸收峰的变化来判断化学键的改变情况；运用差示扫描量热法（Differential scanning calorimetry，DSC）计算样品的结晶度，了解预处理对 PET 结晶结构的影响；借助扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy，SEM）观察 PET 薄膜和颗粒的表面形貌，直观呈现预处理后的物理变化；通过重量损失分析来评估 PET 在生物水解和化学水解过程中的降解程度。

研究结果如下：

1. 光氧化降解：PET 薄膜分别接受 254nm（UVC）和 311nm（UVB）的紫外线辐照 3、4、6 小时。ATR-FTIR 分析显示，辐照后功能基团的峰强度发生变化，UVC 辐照 3 小时后峰强度下降，4 小时后上升，6 小时后又回到 3 小时的水平。DSC 分析表明，辐照后结晶度随时间增加。生物降解实验发现，UVB 辐照的 PET 薄膜，T_fusca介导的生物降解增加；而 UVC 辐照则使酶介导和全细胞 T_fusca的生物降解性能下降，UVC 辐照超过 4 小时会损害生物降解，不适合作为预处理方法。
2. 热氧化：将 PET 薄膜在 70℃、80℃、90℃的干热环境中处理 2 周。随着温度升高，薄膜的雾度增加，结晶度也相应提高。ATR-FTIR 分析显示，功能基团的峰强度发生变化，90℃时 C-H 键和 C=O 键的峰强度降低，表明这些键发生了断裂。生物降解实验表明，90℃预处理的样品，无论是固定化 HiC 还是全细胞 T_fusca的重量损失都比未处理的 PET 薄膜减少；70℃预处理时，固定化 HiC 的重量损失略有增加；而全细胞 T_fusca的重量损失随温度升高而增加。
3. 粒径减小：将 PET 样品粉碎至 1mm、500μm 和 250μm。SEM 观察发现，颗粒表面有粗糙边缘、裂缝和凸起。FTIR 分析显示，粒径减小后功能基团的峰发生位移，且峰强度随粒径减小而增加，表明功能基团的暴露增加。生物降解实验表明，酶介导和全细胞介导的生物降解都随粒径减小而增加，250μm 颗粒的生物降解效果最佳。
4. 热氧化与粒径减小的组合：对不同粒径的 PET 颗粒进行 70℃、80℃、90℃的热氧化处理 2 周。SEM 观察发现，样品表面出现更多细裂纹和凸起。ATR-FTIR 分析显示，功能基团的峰强度变化与热氧化和粒径减小有关，70℃处理的 250μm 颗粒峰强度增加最多，生物降解效果最好；80℃时，500μm 颗粒峰强度降低，250μm 颗粒峰强度增加；90℃时峰强度进一步降低。全细胞介导的生物降解中，90℃处理的 250μm 颗粒重量损失最高；固定化酶介导的生物降解中，70℃处理的 250μm 颗粒重量损失最高。
5. 酸预处理：用 65% v/v 硝酸处理 PET 薄膜 2 周，薄膜变白变脆，表面严重受损，但重量增加。ATR-FTIR 分析显示，出现了新的 - OH 键峰，但生物降解实验表明，HiC 酶水解后重量无变化，全细胞水解后有 5.68 ± 0.38% 的重量损失，说明不同酶的作用机制不同。
6. 非水碱化学水解：用 8.5% NaOH 的甲醇溶液结合超声波对 PET 样品进行化学水解 2.9 小时。结果显示，所有样品的重量损失均为 100%，未处理和预处理样品的 TPA 产率无显著差异，由于处理过程的苛性性质，化学水解无需预处理。

研究结论和讨论部分指出，不同的预处理方法对 PET 的生物降解有不同的影响。热氧化和紫外线辐照虽然都针对 C=O 和 C-H 键，但紫外线辐照会损害生物降解，而热氧化在一定温度范围内能促进生物降解。粒径减小能显著提高生物降解率，与热氧化结合时，不同温度和粒径的组合会产生不同的效果。酸预处理虽然改变了功能基团，但对生物降解的促进作用不明显。此外，化学水解因其苛性性质不需要预处理就能实现高效水解。

这项研究的重要意义在于，它系统地研究了多种理化预处理方法对 PET 生物降解的影响，为选择合适的预处理方法提供了理论依据。通过优化预处理条件，可以提高 PET 的生物降解效率，有助于推动塑料的生物回收，实现循环经济，对缓解塑料污染问题具有重要的实践指导意义。然而，研究也指出，粒径减小和热氧化处理存在能源消耗大、可能产生微塑料等问题，未来需要进一步进行生命周期评估，以确定这些方法的可行性和可持续性。