張 闖，柳乃奎，遲延娜，周圣雄

1 背景

隨著人口數(shù)量和人類活動范圍的不斷增加， 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，環(huán)境污染已經(jīng)成為危害人類健康最重要的因素。特別是有機(jī)化工產(chǎn)品的使用和丟棄給環(huán)境帶來了越來越多的持久性有機(jī)污染物。這些污染物不僅會污染人類賴以生存的土壤，空氣，水質(zhì)等，還具有致癌性、致突變和致畸變作用，對人類健康造成嚴(yán)重危害[1]。

傳統(tǒng)塑料材料是目前使用范圍較為廣泛的有機(jī)化工產(chǎn)品。它在給人類生活提供很多便利和好處的同時，由于其大量的使用同時也給全球帶來了嚴(yán)重的白色污染以及有機(jī)污染物污染，因此受到了全世界的廣泛關(guān)注。這些傳統(tǒng)的塑料制品如塑料包裝袋、塑料吸管、塑料餐具、塑料地膜等，使用后很難回收，且無法快速的降解從而污染環(huán)境[2]。在自然界中即使歷經(jīng)很長的時間所崩解成的塑料粒子，進(jìn)入環(huán)境，水體甚至人體富集，帶來大量塑料微粒子的污染和危害。

鑒于傳統(tǒng)塑料對環(huán)境所帶來的嚴(yán)重危害，全球進(jìn)入了禁塑和限塑的高潮，各國紛紛制定了史上最嚴(yán)禁塑令。2019 年聯(lián)合國發(fā)布了關(guān)于“一次性塑料和微塑料的法律限制：國家法律和法規(guī)的全球?qū)彶椤薄Ｔ搱蟾嬲{(diào)查了全球192 個國家，其中127 個國家頒布了某種形式的國家法律法規(guī)限制一次性塑料和微塑料，65 個國家沒有關(guān)于一次性塑料和微塑料的限制[3]。這些法律、法規(guī)一方面提供禁令、征稅以及廢物管理措施以加強(qiáng)處置，另一方也同時鼓勵再利用和再循環(huán)，推廣各種新型材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料產(chǎn)品。

生物降解塑料和生物基塑料作為應(yīng)對環(huán)境保護(hù)和人類健康問題的環(huán)境友好型塑料，備受大眾期待，是當(dāng)前環(huán)境、材料領(lǐng)域或?qū)W術(shù)研究的重點，同時也是健康促進(jìn)關(guān)注的熱點。

2 環(huán)境友好型塑料

所謂環(huán)境友好型塑料，一般認(rèn)為包括由可再生資源生產(chǎn)的生物基塑料，也包括能在自然環(huán)境或特定條件下分解的生物降解塑料。

2.1 生物基塑料

生物基塑料是指從使用生物質(zhì)替代石油為原料的角度出發(fā)，用來源于可再生碳源的高分子材料，例如由從天然植物中提取的成分如淀粉，纖維素、木質(zhì)素等通過加工生成。

2.2 生物降解塑料

生物降解塑料是指能在自然界如土壤或沙土等條件下，或特定條件下如堆肥條件下或厭氧消化條件下或水性培養(yǎng)液中，由自然界存在的微生物作用引起降解，并最終完全降解變成二氧化碳（CO2）或/和甲烷（CH4）、水（H2O）及其所含元素的礦化無機(jī)鹽以及新的生物質(zhì)的塑料[4]。

盡管生物基塑料和生物降解塑料在定義上有本質(zhì)的差異，但生物降解塑料的環(huán)保屬性來源于材料的生物可降解性能，而與其原料來源是非可再生的石油資源還是可再生的生物資源無關(guān)。而生物基塑料不需要考慮是否可降解，因此并非所有的生物基塑料都是生物降解塑料[5]。

3 生物降解塑料的分類

生物降解塑料是一種重要的可降解塑料。理想的生物降解塑料在廢棄后可被環(huán)境微生物完全分解并最終生成二氧化碳、水等，從而進(jìn)入自然生物圈的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，不再對生態(tài)環(huán)境造成危害[6]。由于可以通過微生物很好的降解進(jìn)而回歸自然，生物降解塑料備受各國政府、科研機(jī)構(gòu)以及材料產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。許多性能優(yōu)良的生物可降解材料被研發(fā)出來用于生活中的方方面面，包括食品和日化包裝、一次性日用品、農(nóng)用地膜、建筑材料、生物醫(yī)療用品等領(lǐng)域[7]。

生物降解塑料按照原料和制備方法可以分為天然高分子降解塑料、微生物合成降解塑料以及化學(xué)合成降解塑料等[8]。天然高分子降解塑料是由天然物質(zhì)制備而成，包括淀粉，蛋白質(zhì)、纖維素等，原料來源豐富且價格低廉，極易被微生物利用。生物基塑料中一部分屬于天然高分子降解塑料，但并不是所有的生物基塑料都可以被生物降解。微生物合成降解塑料是一種生物塑料，是微生物將某些有機(jī)物作為食物源，通過自身的生命運動形成高分子化合物?；瘜W(xué)合成降解塑料的主要品種為脂肪族聚酯、脂肪-芳香共聚酯、脂肪族聚碳酸酯等，其分子鏈上的酯基結(jié)構(gòu)在自然界中易被微生物或酶分解從而最終降解[9]。

4 生物降解塑料的評價體系

根據(jù)測試環(huán)境不同，目前常用的塑料生物降解性試驗方法有特定酶降解試驗法、土埋試驗法、活性污泥試驗法、堆肥試驗法4 種方式。根據(jù)英國皇家統(tǒng)計協(xié)會的一份報告，截至2017 年，僅9%的塑料被回收利用，而12%的塑料被焚化，其余的79%進(jìn)入了垃圾填埋場和環(huán)境[10]。堆肥法是近年來興起的一種測定高分子材料生物降解性能的方法。由于能夠較為真實地模擬高聚物材料在自然條件下的降解情況，并且實驗設(shè)備相對簡單便宜，實驗結(jié)果也能夠令人滿意，因此，堆肥法成為國內(nèi)外所普遍接受的一種試驗方法。以下總結(jié)了各國關(guān)于生物降解塑料的主要標(biāo)準(zhǔn)和評價體系。

4.1 歐盟

1994 年，歐盟發(fā)布了94/62/EC 歐盟包裝和包裝廢棄物指令，并進(jìn)行了多次修訂，旨在協(xié)調(diào)各國有關(guān)包裝物和廢棄包裝物管理的措施：一方面是為了防止由此對各成員國和第三國環(huán)境產(chǎn)生任何影響。或減小這類影響，從而提供高水平環(huán)境保護(hù)；另一方面是為了確保內(nèi)部市場的正常運行并且避免在歐洲共同體內(nèi)產(chǎn)生貿(mào)易壁壘、不正當(dāng)競爭和使競爭受到限制。指令規(guī)定這些管理措施的首要目的是防止產(chǎn)生廢棄包裝物，其次是作為附加的基本原則，對包裝物再使用、再循環(huán)和實現(xiàn)其他形式的廢棄包裝物回收以及由此減少對這類廢棄物的最終處理量。

94/62/EC 的基本要求里規(guī)定：對于以堆肥形式回收的包裝而言，用于堆肥處理的包裝廢物應(yīng)具有可生物降解的性質(zhì)，以免妨礙單獨收集以及其被引入到的堆肥過程或活動。對于可生物降解包裝而言，可生物降解的包裝廢物的性質(zhì)應(yīng)使其能夠進(jìn)行物理、化學(xué)、熱或生物分解，以使大部分的最終堆肥分解為二氧化碳、生物質(zhì)和水[11]?！禘N 13432包裝通過堆肥和生物分解評定包裝可回收性的要求 試驗計劃和包裝最后驗收標(biāo)準(zhǔn)的評定》便是包裝物有機(jī)回收標(biāo)準(zhǔn)。符合EN 13432 就能符合94/62/EC 里的上述規(guī)定。

EN 13432 和EN 13428、EN 13429、EN 13430、EN 13431 其他4 個標(biāo)準(zhǔn)一起為符合94/62/EC 的所有基本要求提供了框架。EN 13427 是解釋上述5項標(biāo)準(zhǔn)之間關(guān)聯(lián)性的標(biāo)準(zhǔn)。

在上述的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)里，“包裝”是指由任何性質(zhì)的任何材料制成的所有產(chǎn)品，用來容納、保護(hù)、搬運、交付和提供商品，其范圍從原材料到加工成的商品、從生產(chǎn)者到使用者或消費者。

EN 13432 從5 個方面對可堆肥包裝提出了要求，分別是品質(zhì)特性、生物降解性、崩解及其過程中的效果、堆肥質(zhì)量、可識別性[12]。

品質(zhì)特性是指在分析檢驗各種包裝材料之前，至少要包括驗證材料成分的資料和鑒定、重金屬等有害物質(zhì)存在的判定、用于生物降解和崩解檢驗的包裝材料中總干固體、揮發(fā)性固體和有機(jī)碳含量的測定值。

生物降解性是指通過檢測來證明包裝可以最終生物降解并符合EN 13432 里的判定要求，即在有氧堆肥條件下最長6 個月內(nèi)必須90%以上最終轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和礦物質(zhì)。

崩解則是指包裝在生活垃圾處理過程中崩解，并符合EN 13432 給出的判定要求，即在有氧堆肥條件下最長12 周內(nèi)必須瓦解成90%以上可通過最大2 mm 篩網(wǎng)的碎片，另外在處理過程中不應(yīng)出現(xiàn)任何不良效果。

堆肥質(zhì)量是指進(jìn)入生活垃圾處理的包裝不應(yīng)對最終的堆肥有不良效果。最終的堆肥應(yīng)符合歐盟或其成員國的堆肥要求，并且特選的植物在引入可堆肥降解材料的堆肥分解物質(zhì)后達(dá)到90%以上的原有成活率和生物性狀。

可識別性是指預(yù)期投入生活垃圾的包裝應(yīng)以最終用戶容易識別的方式標(biāo)示“可堆肥”或“可生物降解”。

除了EN 13432 外，歐盟標(biāo)準(zhǔn)化委員會CEN 還發(fā)布了《EN 14995-2006 塑料.評定降解塑料可堆肥性.試驗方案和規(guī)范》。該標(biāo)準(zhǔn)對于可堆肥塑料的評價和EN 13432 一致[13]。

4.2 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）

國際化標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)布的《ISO 17088:2012 可堆肥塑料技術(shù)要求》建立了鑒別和標(biāo)識塑料產(chǎn)品和材料的可堆肥性。達(dá)到要求的產(chǎn)品可以標(biāo)記為“可堆肥”或“在市政或商業(yè)設(shè)施中可堆肥”或“堆肥過程中可生物分解”。ISO 從生物降解性、崩解、堆肥質(zhì)量等方面來評估可堆肥性。ISO 還發(fā)布了一系列檢測方法來支持ISO 17088 的實施，例如《ISO 148551 受控堆肥條件下材料最終需氧生物分解和崩解能力的測定 采用測定釋放的二氧化碳的方法 第一部分：通用方法》《ISO 16929 在定義堆肥化中試條件下 塑料材料崩解程度的測定》等[14]。

4.3 中國

我國開展生物降解塑料標(biāo)準(zhǔn)化的研究相對較晚，前期主要是以國外的標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本進(jìn)行一定的修改或直接等效[7]。隨著國內(nèi)對于可降解材料的研究，中國的可降解材料的標(biāo)準(zhǔn)體系也越發(fā)完善，不僅有針對部分材料的可降解評價標(biāo)準(zhǔn)及測試方法，還有一些地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共同完善了我國可降解材料的法規(guī)體系?？蓞⒖急? 中整理的部分中國可降解材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，中國還有一些關(guān)于可降解材料的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)立項，正在積極的進(jìn)行中，如2019 年7 月國家標(biāo)準(zhǔn)計劃《全生物降解飲用吸管》由TC 380（全國生物基材料及降解制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會）歸口上報及執(zhí)行，主管部門為國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會。

表1 中國生物降解材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

4.4 美國

美國材料與試驗協(xié)會（American Society for Testing and Materials，ASTM）是當(dāng)前世界上最大的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展機(jī)構(gòu)之一，是一個獨立的非盈利性機(jī)構(gòu)。ASTM 在官方網(wǎng)站上發(fā)文，稱“從牙刷柄和計算機(jī)鑰匙到航空部件和醫(yī)療設(shè)備，塑料已成為現(xiàn)代生活中無處不在的一部分。不幸的是，一旦塑料失效了，會發(fā)生什么，已經(jīng)成為當(dāng)今時代的一個令人困擾的問題。根據(jù)《科學(xué)》雜志發(fā)表的一項研究，每年大約有八百萬公噸的塑料最終進(jìn)入世界海洋”[10]。為了減輕這些問題，ASTM 成立了可降解塑料和生物基產(chǎn)品委員會（D 20.96），該委員會塑料委員會（D 20）的一部分。該小組開展了一系列工作，以建立生物降解性能評價標(biāo)準(zhǔn)及評估可降解材料的影響[10]。除了ASTM 外，美國從事生物降解塑料標(biāo)準(zhǔn)制定、推廣和技術(shù)發(fā)展工作的生物降解制品研究所（BPI）也參與了該小組的工作，共同制定了多個美國生物降解材料的標(biāo)準(zhǔn)。見表2。

表2 美國生物降解材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

4.5 日本

日本生物分解塑料研究會（BPS）負(fù)責(zé)從事生物分解材料標(biāo)準(zhǔn)、推廣和技術(shù)發(fā)展工作。目前日本執(zhí)行的可控堆肥降解塑料標(biāo)準(zhǔn)就是該機(jī)構(gòu)制定的評價規(guī)范。相比EN 13432，BPS 的生物降解性能規(guī)定為：可控堆肥材料在有氧堆肥條件下必須60%轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水、礦物質(zhì)等，在生態(tài)毒理性能測試中，特選植物可達(dá)90%以上的成活率或蚯蚓達(dá)到90%的成活率[15]。

4.6 澳大利亞

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)委員會為了規(guī)范市場中的可控堆肥降解制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中AS 4736《生物降解塑料—適合堆肥化或者其他生物處理方式的生物降解塑料》在EN 13432 的基礎(chǔ)上，在生態(tài)毒性部分增加了蚯蚓的生態(tài)毒理檢測[15]。

綜上可見，生物降解材料作為一種新型的環(huán)境友好型材料，無論是從環(huán)境保護(hù)還是開發(fā)利用的角度，都符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。隨著生物降解材料全球各國評價體系的完善以及研發(fā)力量的投入，其發(fā)展將有很好的應(yīng)用前景。