天然橡胶（NR）、丁腈橡胶（NBR）及NR/NBR共混橡胶手套经微生物菌群CK的对比生物降解研究

《Results in Materials》：Comparative biodegradation of natural rubber (NR), nitrile butadiene rubber (NBR), and NR/NBR blend rubber gloves by microbial consortium CK

　　

摘要

本研究在60天时间内利用菌群CK对天然橡胶（NR）、丁腈橡胶（NBR）和NR/NBR共混橡胶手套的生物降解进行了研究。NR手套表现出最高的失重率（62%），其次是NR/NBR共混手套（22%）和NBR手套（5.2%）。扫描电子显微镜（SEM）显示NR和NR/NBR共混物表面出现裂纹和孔洞并伴有细菌定殖，而NBR表面基本保持不变，微生物附着可忽略不计。活菌计数在NR中从1.5 × 10⁸增加至3.5 × 10⁸ CFU/mL，但在NR/NBR共混物和NBR中分别从8.2 × 10⁸降至1.2 × 10⁶ CFU/mL以及从1.2 × 10⁸降至3.2 × 10³ CFU/mL。衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析表明NR产生了降解产物，包括聚异戊二烯低聚物和醛类产物，提示聚异戊二烯主链发生氧化裂解。NR降解程度极为剧烈，橡胶碎片崩解为细小颗粒，力学性能已无法测量，这与接触角从65.8°降至51.2°的结果一致。相比之下，NR/NBR共混物保留了部分力学性能，尽管拉伸强度、断裂伸长率和断裂力分别从18.89降至2.5 MPa、从645%降至605%以及从5.78降至2.5 N。NBR也表现出相应下降，分别从36.47降至16 MPa、从565%降至71%以及从6.98降至0.50 N。对NR降解菌群CK进行的高通量16S rRNA基因测序鉴定出假黄单胞菌属（Pseudoxanthomonas）、奥利维杆菌属（Olivibacter）、诺卡氏菌属（Nocardia）以及其他在橡胶降解过程中出现的分类单元。这些研究结果表明，将NBR掺入NR中有助于在降解过程中部分保持手套的力学性能，而NR的存在则相较于NBR增强了生物降解性。

天然橡胶、丁腈橡胶及其共混手套的微生物降解行为对比研究——着眼于可持续橡胶废弃物管理

**一、研究背景与科学问题**

一次性手套市场在全球范围内经历了前所未有的增长，这主要受到医疗保健、食品加工和工业领域日益增长的需求驱动。一次性手套作为个人防护装备中增长最快的细分市场之一，其广泛使用有效减少了交叉污染和化学品暴露风险。特别是在COVID-19疫情之后，手套消费量急剧增加，随之而来的是大量废弃弹性体材料的累积，由此引发了严峻的环境可持续性问题。

天然橡胶（natural rubber, NR），化学名称为聚（顺式-1,4-异戊二烯），因其优异的弹性和力学性能而被视为最重要的生物聚合物之一。NR来源于巴西橡胶树（Hevea brasiliensis）的胶乳，被认为是一种可再生资源。然而，包括一次性手套在内的NR产品的大量使用已导致显著的废弃物积累，引起人们对环境可持续性的广泛关注。与NR不同，丁腈橡胶（nitrile butadiene rubber, NBR）因其优异的耐化学品性、耐久性以及适用于乳胶过敏人群而广泛应用于手套制造。NBR通过丙烯腈和丁二烯单体的乳液聚合合成，其性能随丙烯腈含量变化，通常在18%至50%之间。然而，由于NBR的合成性质，其生物降解性较低，不当处置时会对环境造成潜在危害。

由于NR和NBR具有截然不同的材料特性，如弹性、耐化学品性和触觉灵敏度，二者的应用领域存在显著差异，单一材料无法满足所有应用需求。为了平衡两种材料的优势，NR/NBR共混手套应运而生，将NR的柔韧性与舒适性同NBR的耐化学品性与耐久性相结合。尽管共混手套具有增强的综合性能，但关于NR/NBR共混手套的环境影响和生物降解性的研究十分有限，这构成了当前文献中的明显空白。

传统橡胶废弃物处理方法，如填埋和焚烧，会带来显著的环境风险。填埋不仅占用宝贵的土地资源还会产生甲烷这种强效温室气体，而焚烧则会产生包括二氧化碳和有毒化合物在内的有害排放物。微生物降解橡胶的研究已有一个多世纪的历史，已有研究鉴定出众多橡胶降解细菌，尤其是放线菌门（Actinobacteria）中的戈登氏菌属（Gordonia）、红球菌属（Rhodococcus）、链霉菌属（Streptomyces）和诺卡氏菌属（Nocardia）等。与以往主要关注单一橡胶材料或有限降解体系的研究不同，本研究在相同微生物降解条件下直接比较NR、NBR和NR/NBR共混手套，从而系统评估橡胶组成对生物降解行为和材料耐久性的影响。

**二、研究内容与结论**

本研究采用富集的微生物菌群CK，在60天的时间内对三种商业橡胶手套——NR手套、NBR手套和NR/NBR共混手套（均由Sri Trang Gloves (Thailand) Company Limited提供）——进行了对比生物降解评价。实验以矿物盐培养基（MSM）为基础体系，橡胶手套作为唯一碳源，在35°C、150 rpm振荡条件下培养60天。NR/NBR共混手套以等比例（50/50重量比）的NR和NBR配制，所有三种手套均采用标准硫化工艺制造，添加剂用量相同。

研究结果显示，三种手套材料在生物降解行为上呈现出显著差异：NR手套表现出最高的生物降解性，60天内失重率达62%，伴随力学性能完全丧失、表面严重侵蚀以及指示聚异戊二烯主链裂解的显著化学变化。NBR手套的生物降解性最低（失重率5.2%），但力学性能却经历了严重劣化，这表明仅以失重率作为衡量合成橡胶材料功能劣化程度的指标存在不足。NR/NBR共混手套表现出中等程度的生物降解性（失重率22%），并保留了部分力学性能，表明共混策略在生物降解性与耐久性之间提供了一种有前景的折中方案。研究明确确立了NR > NR/NBR共混物 > NBR的生物降解顺序，证明含NR的手套材料比纯合成NBR手套更适合生物降解。

**三、主要技术方法**

本研究采用多种表征手段综合评估橡胶手套的生物降解行为。主要技术方法包括：失重率测定以量化生物降解程度；扫描电子显微镜（SEM）观察表面形态变化和微生物定殖情况；活菌计数法评估微生物存活与增殖能力；衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析化学结构和官能团变化；接触角测量评估表面润湿性变化；万能拉伸试验机测试力学性能（拉伸强度、断裂伸长率和断裂力）评价结构完整性；高通量16S rRNA基因测序分析降解过程中微生物群落结构和演替规律。所有实验均设置非接种的MSM培养基作为非生物对照，以区分生物降解与非生物劣化的贡献。

**四、研究结果**

**4.1 失重率分析**

失重率是生物降解的主要指标，反映聚合物分解和矿化的程度。NR手套在60天培养后显示出最高的失重率（62%），其次是NR/NBR共混手套（22%），NBR手套失重率最低（5.2%）。非生物对照组仅表现出极轻微的失重（分别为0.2%、0.14%和0%），表明观察到的显著失重主要由微生物降解引起而非非生物性劣化。NR手套降解后橡胶材料变为棕色并降解为大量粉末状细小碎片，部分碎片悬浮于MSM培养基中使培养基明显浑浊，与最高失重率一致。NR/NBR共混手套表现出明显的降解，但程度较低，碎片变小并从方形逐渐变为更圆润的形态，表明降解从外缘开始向内进行。NBR手套在培养后形状、大小和颜色基本保持不变，表明NBR在测试条件下是最具抗性的材料。

**4.2 表面形态（SEM）分析**

SEM观察显示，三种手套的对照样品表面均光滑完整，无明显裂纹、凹坑或微生物定殖。经菌群CK培养60天后，NR手套表面出现广泛损伤，包括裂纹、凹坑、大量微小孔洞和不均匀的侵蚀表面，并伴有大量细菌黏附和微生物定殖，部分区域还观察到丝状结构，表明手套表面存在活跃的微生物生长。NR/NBR共混手套也出现表面劣化，可见裂纹、小孔和微生物附着，表明共混物中NR相使微生物能够定殖并引发表面降解。相比之下，NBR手套表面形态与对照接近，保持相对光滑完整，无明显侵蚀特征，微生物附着极为有限。NBR的含腈结构、较高的交联密度以及硫化相关添加剂的存在可能降低了微生物的可及性并阻碍了表面降解的进行。

**4.3 活菌计数**

活菌计数结果与失重率高度一致。NR手套在60天培养后活菌数从1.5 × 10⁸增加至3.5 × 10⁸ CFU/mL，表明菌群能够有效利用NR作为碳源进行增殖。NR/NBR共混体系中活菌数从8.2 × 10⁸降至1.2 × 10⁶ CFU/mL，表明NBR组分的存在使材料对微生物生长的支持能力降低。NBR体系中活菌数从1.2 × 10⁸降至3.2 × 10³ CFU/mL，下降最为显著，表明NBR在测试条件下不能支持微生物增殖。非生物对照组均未检测到菌落，确认活菌计数来源于接种的菌群而非污染。

**4.4 ATR-FTIR化学分析**

ATR-FTIR分析揭示了三种手套材料在生物降解过程中不同的化学结构变化。NR手套在降解后出现最显著的波谱变化：在约3300 cm^-1处出现明显的O–H伸缩振动宽峰，表明生成了含羟基的氧化产物；在约1650 cm^-1处的羰基区域发生变化，表明氧化降解过程中生成了含羰基的氧化产物；在1100 cm^-1范围内特征峰丰度增加，提示存在C–O–C键；在1088 cm^-1处出现对应于S=O伸缩振动的谱带，表明发生了氧化并提示含硫结构在降解过程中发生了改变。这些光谱变化共同表明聚异戊二烯主链发生氧化裂解。NR/NBR共混手套也表现出相似但程度较轻的光谱变化，O–H谱带和羰基区域的氧化相关变化仍然可见，但约2200 cm^-1处的C≡N伸缩振动谱带保持相对稳定，表明NBR组分在测试条件下基本未受影响，共混物中的生物降解主要发生在NR相。NBR手套在培养后光谱基本保持不变，C≡N伸缩振动谱带基本不变，未出现明显的O–H或羰基新谱带，化学结构得到较好保留。

**4.5 接触角变化**

接触角测量结果表明，三种手套的初始接触角因表面组成和性质不同而存在差异。NR手套的初始接触角最低（65.8°±1.1°），表明表面相对更亲水；NR/NBR共混手套的初始接触角最高（105.8°±0.7°），其次是NBR手套（95.8°±0.5°），表明表面更疏水。经菌群培养后，NR手套的接触角从65.8°降至51.2°，降幅为22%，表明表面亲水性增强；培养后高标准差反映了NR表面严重且不均匀的侵蚀。NR/NBR共混手套的接触角从105.8°降至90.4°，降幅为15%。NBR手套的接触角仅从95.8°降至93.6°，降幅为2.3%，变化最小。增强的亲水性有利于水分渗透和微生物与橡胶表面的紧密接触，从而促进微生物附着、定殖和后续的表面腐蚀，这与ATR-FTIR观察到的含羰基和醛基氧化产物生成结果一致。

**4.6 力学性能变化**

力学性能测试显示，三种手套的初始力学性能因组成和材料结构不同而存在差异。NR手套的拉伸强度为28.14 MPa、断裂伸长率为771%、断裂力为8.09 N，反映了其高弹性和柔韧性。NR/NBR共混手套表现出中等力学性能，拉伸强度为18.89 MPa、断裂伸长率为645%、断裂力为5.78 N。NBR手套的拉伸强度最高（36.47 MPa），断裂伸长率为565%、断裂力为6.98 N。经菌群培养60天后，NR手套因严重降解而无法进行力学测试，橡胶碎片完全丧失结构完整性。NR/NBR共混手套的拉伸强度从18.89降至2.5 MPa（降幅约86.8%），断裂伸长率从645%降至605%（降幅约6.2%），断裂力从5.78降至2.5 N（降幅约56.7%）。NBR手套的拉伸强度从36.47降至16 MPa（降幅约56.1%），断裂伸长率从565%降至71%（降幅约87.4%），断裂力从6.98降至0.50 N（降幅约92.8%）。尽管NBR手套的宏观失重率低于含NR手套，但力学性能的剧烈下降表明其功能性能已受到严重影响。

**4.7 微生物群落结构分析**

对培养一个月和两个月的菌群CK样品进行高通量16S rRNA基因测序分析。在门水平上，两个时间点的样品均以变形菌门（Proteobacteria）为主，占总群落的60%以上，其次是放线菌门（Actinobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidota）。第二个月时拟杆菌门的相对丰度有所增加，而变形菌门略有下降。在属水平上，假黄单胞菌属（Pseudoxanthomonas）在第一个月和第二个月的样品中均是最丰富的已鉴定属，占总群落的30%以上，其次是奥利维杆菌属（Olivibacter）、诺卡氏菌属（Nocardia）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingopyxis）、异源菌属（Xenophilus）、克黎伯氏菌属（Kribbella）、多克氏菌属（Dokdonella）和希内尔氏菌属（Shinella）等。奥利维杆菌属在第二个月相对丰度增加，而假黄单胞菌属和异源菌属略有下降。群落的时间演替可能与降解过程中产生的橡胶衍生单体或低聚物的利用有关。值得注意的是，本研究首次报道假黄单胞菌属可在橡胶生物降解过程中成为优势菌属，但该属在橡胶生物降解中的具体功能仍需进一步研究确认。诺卡氏菌属等具有粘附性、含分枝菌酸的CMN群放线菌常直接接触生长并导致材料崩解，其检测具有重要意义，因为即使丰度较低的类群如果携带橡胶加氧酶基因（如lcp）等关键功能基因，也可能对橡胶降解做出不成比例的贡献。

**五、讨论与结论**

本研究综合考虑了失重率、表面形态、化学变化、润湿性和力学性能等多维度指标，建立了橡胶手套材料生物降解性的清晰层级：NR > NR/NBR共混物 > NBR。NR的优异生物降解性可归因于其主要由含有不饱和双键的聚（顺式-1,4-异戊二烯）组成，这些双键是橡胶加氧酶（RoxA和RoxB）和胶乳清除蛋白（Lcp）等微生物酶的主要攻击靶点。这些酶通过氧化裂解橡胶聚合物链生成低聚物，后者可被进一步代谢为碳源。相比之下，NBR含有极性腈基（-C≡N）且交联结构更致密，这会阻碍酶的访问和微生物定殖。NR/NBR共混手套作为一个折中方案，在保持部分力学性能的同时表现出中等程度的生物降解性，为核心菌群提供了可被利用的碳源。

需要指出的是，16S rRNA测序分析本身不能证明哪些类群直接裂解了橡胶聚合物，相对丰度并不等同于代谢活性，低丰度类群可能携带关键功能基因。因此，假黄单胞菌属、诺卡氏菌属、奥利维杆菌属等在降解过程中的作用应被解释为与降解相关的关联性证据而非直接功能证明。未来的研究应结合功能分析手段，包括宏基因组或宏转录组检测lcp、roxA、roxB、oxiAB和醛脱氢酶基因，通过qPCR追踪这些基因在降解过程中的变化，分离优势类群进行纯培养和共培养试验，酶活性测定以及LC-MS或GC-MS鉴定异戊二烯低聚物醛、酮、酸等降解产物，从而确认降解机制。

本研究的结论明确指出，NR/NBR共混策略代表了一种实现中等生物降解性同时在使用过程中保持可接受力学性能的可行途径。对于NBR基材料，则需要微生物适应、聚合物改性、添加可生物降解助剂或表面预处理等额外策略来改善其使用寿命结束后的可降解性。这些发现为设计更环保的手套材料提供了有益的指导，有助于在产品质量与废弃后生物降解改善之间取得平衡。未来的研究应集中于阐明橡胶降解的分子机制、优化共混组成、表征降解产物以及评估橡胶手套废弃物生物处理方法的可扩展性和环境影响。该研究成果发表于《Results in Materials》期刊，为可持续橡胶废弃物管理提供了重要的科学依据和实际指导。