利用制革厂废弃物制备可生物降解的塑料地膜，以促进可持续的农业生态系统

《Next Materials》：Preparation of biodegradable plastic mulch from tannery raw trimming waste for sustainable agroecosystem

可降解地膜制备及性能研究：利用皮革废料提取的胶原蛋白与淀粉复合，添加4% neem油后薄膜拉伸强度达1.72 MPa，兼具优异阻隔性和降解性，且对蜘蛛螨杀灭率达12.8%，显著促进Okra植株生长。

　　本研究围绕生物降解膜的开发与应用展开，旨在为农业提供一种环保且可持续的替代方案，以应对传统聚乙烯薄膜所带来的环境问题。聚乙烯薄膜，尤其是低密度聚乙烯（LDPE），虽然因其防水性和机械延展性被广泛用于农业，但其不可降解的特性导致了严重的土壤污染和生态环境破坏。随着全球对可持续农业的重视，寻找可替代的生物基材料成为当前研究的重点。本研究通过酶解方法从皮革厂固废中提取胶原蛋白，并结合稻米淀粉、甘油和苦楝油，制备出具有降解性能和驱虫功能的生物降解膜，以期在作物种植过程中发挥保护作用。

### 背景与意义

农业中使用覆盖物（mulch）有助于提高作物产量，其作用机制包括改善土壤微环境，如提升土壤温度、保持土壤水分、促进种子发芽以及增强植物生长。然而，传统塑料覆盖物因其难以降解，导致大量废弃物滞留于土壤中，增加了环境污染和处理成本。因此，研究开发具有降解特性的农业覆盖物，以减少塑料对土壤的长期影响，显得尤为重要。生物降解材料，如基于蛋白质和多糖的生物基塑料，因其良好的机械性能、降解能力和环境友好性，正逐步成为替代传统塑料的重要选择。

### 材料与方法

本研究的主要原料来自皮革厂的固废，这些固废富含氮元素，适合用于提取胶原蛋白。通过一系列预处理步骤，包括浸泡、修剪、脱毛、软化、漂洗和脱脂，将皮革固废转化为适合进一步处理的原料。随后，利用酶解技术提取胶原蛋白，通过控制反应条件，如温度、时间、搅拌速度和酶浓度，确保提取效率和纯度。提取后的胶原蛋白经过浓缩和冻干，得到胶原蛋白粉末，用于后续的生物降解膜制备。

为了提高膜的机械性能和稳定性，本研究引入了稻米淀粉作为主要成分之一。通过调整胶原蛋白与淀粉的比例，研究人员发现1:3的配比能够显著增强膜的抗拉强度。此外，为了赋予膜驱虫特性，研究团队在S4配方中添加了2%至4%的苦楝油，这是一种天然的生物杀虫剂，能够有效控制红蜘蛛等农业害虫。

### 实验设计与结果

实验采用不同的配方进行生物降解膜的制备，并对每种膜的机械性能、水蒸气透过率、溶胀性、透明度、表面形貌以及生物降解性进行了系统的测试。其中，S4–4配方（含4%苦楝油）在抗拉强度、水蒸气透过率和溶胀性等方面表现出最佳性能。具体而言，S4–4膜的抗拉强度达到了1.72 MPa，这主要归因于胶原蛋白与淀粉之间的分子间氢键作用。同时，该膜的水蒸气透过率为7.91 g/m2/h，表明其具有良好的水阻隔能力，有助于保持土壤水分。此外，其水溶性为38.66%，在降解两周后达到了50%的降解率，与传统生物降解膜相当。

在驱虫性能方面，实验采用红蜘蛛（*Tetranychus urticae*）作为测试对象，结果显示，S4–4膜在3小时内表现出12.8%的虫害死亡率，显著高于对照组的2.67%。这一结果归因于苦楝油中含有的生物活性成分，如苦楝素（azadirachtin）、尼宾（nimbin）、尼比丁（nimbidin）和尼姆利德（nimbolide），这些成分具有抗食性、卵杀性和抑制繁殖的能力，同时还能调节昆虫生长并具有驱避作用。研究还发现，苦楝油的加入虽然降低了膜的透明度，但并未影响其整体性能，反而通过分子间氢键的形成，提高了膜的稳定性。

在植物生长实验中，研究人员将S4–4膜应用于栽培的秋葵（*Abelmoschus esculentus*）植物，并与传统塑料覆盖物和未覆盖组进行了对比。实验结果显示，使用S4–4膜的秋葵植株在植物高度、根长、鲜重和干重等方面均表现出显著提升。具体而言，使用S4–4膜的秋葵植株高度达到了33.86 cm，根长为10.5 cm，鲜重为8.95 g，干重为4.66 g。这些数据表明，S4–4膜不仅能够有效控制害虫，还能通过缓慢释放氮元素，促进植物生长，提高产量。

### 结果分析与讨论

通过统计分析，研究团队验证了各生长参数的ANOVA模型的有效性，确保了实验数据的可靠性。研究发现，所有生长参数均符合正态分布、方差齐性和独立性假设，进一步证明了S4–4膜在农业应用中的优势。此外，FESEM图像和EDX分析揭示了S4–4膜的表面结构和元素组成，表明其具有良好的物理性能和降解特性。XRD分析则显示，该膜具有非晶态结构，有利于其在土壤中的分解。

在生物降解性方面，S4–4膜在土壤中埋藏两周后实现了50%的降解率，而未添加苦楝油的S4膜则在相同时间内表现出相似的降解特性。这一结果表明，苦楝油的添加并未显著影响膜的降解速度，但其驱虫作用为农业提供了额外的保护功能。同时，研究还发现，胶原蛋白的加入有助于提高膜的生物降解能力，而苦楝油则通过分子间相互作用增强了膜的稳定性。

### 潜在应用与未来展望

本研究开发的S4–4生物降解膜不仅具备良好的物理和机械性能，还能有效控制害虫，为可持续农业提供了新的解决方案。其主要优势在于能够减少传统塑料覆盖物对环境的污染，同时通过缓慢释放营养物质，促进作物生长。此外，该膜的降解性能使其在使用后能够自然回归土壤，进一步减少了农业废弃物的处理成本。

尽管本研究取得了积极成果，但仍存在一些需要进一步探索的问题。例如，不同作物对生物降解膜的反应可能存在差异，因此需要针对不同作物进行更广泛的应用测试。此外，苦楝油的长期释放效果、对土壤微生物的影响以及其在不同环境条件下的稳定性，仍需深入研究。未来，研究团队可以尝试优化配方，提高膜的降解速度，同时探索其他天然杀虫剂的添加方式，以进一步提升其在农业中的适用性。

### 结论

综上所述，本研究成功制备了一种由胶原蛋白、稻米淀粉、甘油和苦楝油组成的生物降解膜，该膜在农业应用中表现出良好的机械性能、水阻隔能力和驱虫效果。其在植物生长促进和害虫控制方面的表现，使其成为传统塑料覆盖物的潜在替代品。此外，该膜的降解性能符合可持续农业的要求，能够有效减少农业废弃物对环境的负面影响。未来的研究应进一步探讨该膜在不同作物和环境条件下的适用性，以推动其在农业领域的广泛应用。