塑料制品在可持续发展中的前景 ——可降解塑料的环境友好性

张 闯，柳乃奎，迟延娜，周圣雄

1 背景

随着人口数量和人类活动范围的不断增加， 工农业生产规模不断扩大，环境污染已经成为危害人类健康最重要的因素。特别是有机化工产品的使用和丢弃给环境带来了越来越多的持久性有机污染物。这些污染物不仅会污染人类赖以生存的土壤，空气，水质等，还具有致癌性、致突变和致畸变作用，对人类健康造成严重危害[1]。

传统塑料材料是目前使用范围较为广泛的有机化工产品。它在给人类生活提供很多便利和好处的同时，由于其大量的使用同时也给全球带来了严重的白色污染以及有机污染物污染，因此受到了全世界的广泛关注。这些传统的塑料制品如塑料包装袋、塑料吸管、塑料餐具、塑料地膜等，使用后很难回收，且无法快速的降解从而污染环境[2]。在自然界中即使历经很长的时间所崩解成的塑料粒子，进入环境，水体甚至人体富集，带来大量塑料微粒子的污染和危害。

鉴于传统塑料对环境所带来的严重危害，全球进入了禁塑和限塑的高潮，各国纷纷制定了史上最严禁塑令。2019 年联合国发布了关于“一次性塑料和微塑料的法律限制：国家法律和法规的全球审查”。该报告调查了全球192 个国家，其中127 个国家颁布了某种形式的国家法律法规限制一次性塑料和微塑料，65 个国家没有关于一次性塑料和微塑料的限制[3]。这些法律、法规一方面提供禁令、征税以及废物管理措施以加强处置，另一方也同时鼓励再利用和再循环，推广各种新型材料来代替传统塑料产品。

生物降解塑料和生物基塑料作为应对环境保护和人类健康问题的环境友好型塑料，备受大众期待，是当前环境、材料领域或学术研究的重点，同时也是健康促进关注的热点。

2 环境友好型塑料

所谓环境友好型塑料，一般认为包括由可再生资源生产的生物基塑料，也包括能在自然环境或特定条件下分解的生物降解塑料。

2.1 生物基塑料

生物基塑料是指从使用生物质替代石油为原料的角度出发，用来源于可再生碳源的高分子材料，例如由从天然植物中提取的成分如淀粉，纤维素、木质素等通过加工生成。

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条件下，或特定条件下如堆肥条件下或厌氧消化条件下或水性培养液中，由自然界存在的微生物作用引起降解，并最终完全降解变成二氧化碳（CO2）或/和甲烷（CH4）、水（H2O）及其所含元素的矿化无机盐以及新的生物质的塑料[4]。

尽管生物基塑料和生物降解塑料在定义上有本质的差异，但生物降解塑料的环保属性来源于材料的生物可降解性能，而与其原料来源是非可再生的石油资源还是可再生的生物资源无关。而生物基塑料不需要考虑是否可降解，因此并非所有的生物基塑料都是生物降解塑料[5]。

3 生物降解塑料的分类

生物降解塑料是一种重要的可降解塑料。理想的生物降解塑料在废弃后可被环境微生物完全分解并最终生成二氧化碳、水等，从而进入自然生物圈的物质循环系统，不再对生态环境造成危害[6]。由于可以通过微生物很好的降解进而回归自然，生物降解塑料备受各国政府、科研机构以及材料产业界的关注。许多性能优良的生物可降解材料被研发出来用于生活中的方方面面，包括食品和日化包装、一次性日用品、农用地膜、建筑材料、生物医疗用品等领域[7]。

生物降解塑料按照原料和制备方法可以分为天然高分子降解塑料、微生物合成降解塑料以及化学合成降解塑料等[8]。天然高分子降解塑料是由天然物质制备而成，包括淀粉，蛋白质、纤维素等，原料来源丰富且价格低廉，极易被微生物利用。生物基塑料中一部分属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种生物塑料，是微生物将某些有机物作为食物源，通过自身的生命运动形成高分子化合物。化学合成降解塑料的主要品种为脂肪族聚酯、脂肪-芳香共聚酯、脂肪族聚碳酸酯等，其分子链上的酯基结构在自然界中易被微生物或酶分解从而最终降解[9]。

4 生物降解塑料的评价体系

根据测试环境不同，目前常用的塑料生物降解性试验方法有特定酶降解试验法、土埋试验法、活性污泥试验法、堆肥试验法4 种方式。根据英国皇家统计协会的一份报告，截至2017 年，仅9%的塑料被回收利用，而12%的塑料被焚化，其余的79%进入了垃圾填埋场和环境[10]。堆肥法是近年来兴起的一种测定高分子材料生物降解性能的方法。由于能够较为真实地模拟高聚物材料在自然条件下的降解情况，并且实验设备相对简单便宜，实验结果也能够令人满意，因此，堆肥法成为国内外所普遍接受的一种试验方法。以下总结了各国关于生物降解塑料的主要标准和评价体系。

4.1 欧盟

1994 年，欧盟发布了94/62/EC 欧盟包装和包装废弃物指令，并进行了多次修订，旨在协调各国有关包装物和废弃包装物管理的措施：一方面是为了防止由此对各成员国和第三国环境产生任何影响。或减小这类影响，从而提供高水平环境保护；另一方面是为了确保内部市场的正常运行并且避免在欧洲共同体内产生贸易壁垒、不正当竞争和使竞争受到限制。指令规定这些管理措施的首要目的是防止产生废弃包装物，其次是作为附加的基本原则，对包装物再使用、再循环和实现其他形式的废弃包装物回收以及由此减少对这类废弃物的最终处理量。

94/62/EC 的基本要求里规定：对于以堆肥形式回收的包装而言，用于堆肥处理的包装废物应具有可生物降解的性质，以免妨碍单独收集以及其被引入到的堆肥过程或活动。对于可生物降解包装而言，可生物降解的包装废物的性质应使其能够进行物理、化学、热或生物分解，以使大部分的最终堆肥分解为二氧化碳、生物质和水[11]。《EN 13432包装通过堆肥和生物分解评定包装可回收性的要求 试验计划和包装最后验收标准的评定》便是包装物有机回收标准。符合EN 13432 就能符合94/62/EC 里的上述规定。

EN 13432 和EN 13428、EN 13429、EN 13430、EN 13431 其他4 个标准一起为符合94/62/EC 的所有基本要求提供了框架。EN 13427 是解释上述5项标准之间关联性的标准。

在上述的法规标准里，“包装”是指由任何性质的任何材料制成的所有产品，用来容纳、保护、搬运、交付和提供商品，其范围从原材料到加工成的商品、从生产者到使用者或消费者。

EN 13432 从5 个方面对可堆肥包装提出了要求，分别是品质特性、生物降解性、崩解及其过程中的效果、堆肥质量、可识别性[12]。

品质特性是指在分析检验各种包装材料之前，至少要包括验证材料成分的资料和鉴定、重金属等有害物质存在的判定、用于生物降解和崩解检验的包装材料中总干固体、挥发性固体和有机碳含量的测定值。

生物降解性是指通过检测来证明包装可以最终生物降解并符合EN 13432 里的判定要求，即在有氧堆肥条件下最长6 个月内必须90%以上最终转化为二氧化碳、水和矿物质。

崩解则是指包装在生活垃圾处理过程中崩解，并符合EN 13432 给出的判定要求，即在有氧堆肥条件下最长12 周内必须瓦解成90%以上可通过最大2 mm 筛网的碎片，另外在处理过程中不应出现任何不良效果。

堆肥质量是指进入生活垃圾处理的包装不应对最终的堆肥有不良效果。最终的堆肥应符合欧盟或其成员国的堆肥要求，并且特选的植物在引入可堆肥降解材料的堆肥分解物质后达到90%以上的原有成活率和生物性状。

可识别性是指预期投入生活垃圾的包装应以最终用户容易识别的方式标示“可堆肥”或“可生物降解”。

除了EN 13432 外，欧盟标准化委员会CEN 还发布了《EN 14995-2006 塑料.评定降解塑料可堆肥性.试验方案和规范》。该标准对于可堆肥塑料的评价和EN 13432 一致[13]。

4.2 国际标准化组织（ISO）

国际化标准组织发布的《ISO 17088:2012 可堆肥塑料技术要求》建立了鉴别和标识塑料产品和材料的可堆肥性。达到要求的产品可以标记为“可堆肥”或“在市政或商业设施中可堆肥”或“堆肥过程中可生物分解”。ISO 从生物降解性、崩解、堆肥质量等方面来评估可堆肥性。ISO 还发布了一系列检测方法来支持ISO 17088 的实施，例如《ISO 148551 受控堆肥条件下材料最终需氧生物分解和崩解能力的测定 采用测定释放的二氧化碳的方法 第一部分：通用方法》《ISO 16929 在定义堆肥化中试条件下 塑料材料崩解程度的测定》等[14]。

4.3 中国

我国开展生物降解塑料标准化的研究相对较晚，前期主要是以国外的标准为蓝本进行一定的修改或直接等效[7]。随着国内对于可降解材料的研究，中国的可降解材料的标准体系也越发完善，不仅有针对部分材料的可降解评价标准及测试方法，还有一些地方标准和行业标准共同完善了我国可降解材料的法规体系。可参考表1 中整理的部分中国可降解材料的相关标准。除此之外，中国还有一些关于可降解材料的标准已经立项，正在积极的进行中，如2019 年7 月国家标准计划《全生物降解饮用吸管》由TC 380（全国生物基材料及降解制品标准化技术委员会）归口上报及执行，主管部门为国家标准化管理委员会。

表1 中国生物降解材料的相关标准

4.4 美国

美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials，ASTM）是当前世界上最大的标准发展机构之一，是一个独立的非盈利性机构。ASTM 在官方网站上发文，称“从牙刷柄和计算机钥匙到航空部件和医疗设备，塑料已成为现代生活中无处不在的一部分。不幸的是，一旦塑料失效了，会发生什么，已经成为当今时代的一个令人困扰的问题。根据《科学》杂志发表的一项研究，每年大约有八百万公吨的塑料最终进入世界海洋”[10]。为了减轻这些问题，ASTM 成立了可降解塑料和生物基产品委员会（D 20.96），该委员会塑料委员会（D 20）的一部分。该小组开展了一系列工作，以建立生物降解性能评价标准及评估可降解材料的影响[10]。除了ASTM 外，美国从事生物降解塑料标准制定、推广和技术发展工作的生物降解制品研究所（BPI）也参与了该小组的工作，共同制定了多个美国生物降解材料的标准。见表2。

表2 美国生物降解材料的相关标准

4.5 日本

日本生物分解塑料研究会（BPS）负责从事生物分解材料标准、推广和技术发展工作。目前日本执行的可控堆肥降解塑料标准就是该机构制定的评价规范。相比EN 13432，BPS 的生物降解性能规定为：可控堆肥材料在有氧堆肥条件下必须60%转化为二氧化碳、水、矿物质等，在生态毒理性能测试中，特选植物可达90%以上的成活率或蚯蚓达到90%的成活率[15]。

4.6 澳大利亚

澳大利亚标准委员会为了规范市场中的可控堆肥降解制定相关标准，其中AS 4736《生物降解塑料—适合堆肥化或者其他生物处理方式的生物降解塑料》在EN 13432 的基础上，在生态毒性部分增加了蚯蚓的生态毒理检测[15]。

综上可见，生物降解材料作为一种新型的环境友好型材料，无论是从环境保护还是开发利用的角度，都符合可持续发展的战略要求。随着生物降解材料全球各国评价体系的完善以及研发力量的投入，其发展将有很好的应用前景。