新型生物抑尘剂γ- 聚谷氨酸的抑尘性能及安全性评价

2020-01-10袁丹丹陈勉刘俊香高亮刘飞张晓元郝荣华陈磊张艳艳

环境工程技术学报 2020年1期

袁丹丹，陈勉，刘俊香，高亮，刘飞,2*，张晓元，郝荣华，陈磊，张艳艳

1.山东省药学科学院，山东省生物药物重点实验室，山东省多糖类药物工程实验室，多糖类药物发酵与精制国家地方联合工程实验室 2.山东福瑞达医药集团有限公司 3.济南宇煊环保技术有限公司 4.山东省商业集团有限公司

γ- 聚谷氨酸(poly-γ- glutamic acid，γ- PGA)是一种由微生物合成的，可生物降解的水溶性高分子聚合物，其具有良好的吸附性、持水性、生物降解性和生物相容性[1]。γ- PGA被认为是最具发展前景的生物材料之一，已广泛应用于化妆品、农业、医药、食品等领域[2]。在化妆品领域，γ- PGA可以显著提升皮肤的水分，并且具有美白功效，安全性高[3- 5]。在农业领域，γ- PGA可以促进作物对养分的吸收，提高种子的发芽率，增加作物产量[6- 7]。γ- PGA的高分子水溶性使其具有黏附性，有望用作新型安全环保的扬尘黏结剂，用于人居环境，降低扬尘造成的大气污染。

颗粒物是影响我国城市空气质量的主要污染物。空气中的悬浮颗粒物分为总悬浮颗粒物(TSP，粒径小于100 μm)，可吸入颗粒物(PM10，粒径小于10 μm)，细颗粒物(PM2.5，粒径小于2.5 μm)。TSP中大颗粒多沉积于鼻咽部，其中约80%为PM10，可进入呼吸道深处，PM2.5可沉积于肺泡内，颗粒愈小，对人体危害愈大[8]。目前抑尘剂种类繁多，有石油化工高分子聚合物、无机盐类、表面活性剂、原油渣类、淀粉基接枝丙烯酸盐类高倍吸水树脂等[8- 9]，通过润湿、凝并、黏结或吸湿保水等作用防止粉尘飞扬，这些抑尘剂或者无法全部降解，或者具有腐蚀性，或者有害健康，其主要应用于矿物粉渣堆料场、采矿区、煤炭矿粉运输、在建道路沿线、粉尘车间等重度粉尘污染区，不宜施用于人群、公共设施密集的城市公共空间。杨汉宏等[10]发明了一种复合型环保抑尘剂，含有羧甲基纤维素、聚乙烯醇、Na2SiO3、三聚磷酸钠和聚丙烯酰胺，其原料主要为石油化工类物质及无机盐，主要用于露天煤矿。Usher[11]研究发现一种生态抑尘剂，由糖浆、甘蔗渣、表面活性剂和消泡剂等制备而成，适用于干旱地区，但不适用于城市公共空间。郑向军等[12]以钙镁络合物为主要组成物质，外加助剂复配而成的道路抑尘剂，对金属有一定的腐蚀性。

针对缺少环保可降解、适用于城市公共空间的抑尘剂问题，笔者研发了细水雾γ- PGA抑尘剂，在实验室水平上研究了抑尘剂的抑尘特性，以期为环保型抑尘剂的实际应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

试验材料：γ- PGA；普鲁兰糖(PU，山东福瑞达生物科技有限公司)；透明质酸(HA，华熙福瑞达生物医药有限公司)；黄原胶(XG，广州市深创化工有限公司)；壳寡糖(CS，济南海得贝生物工程有限公司)；氯化钙(天津市科密欧化学试剂有限公司)；草地早熟禾种子(苏北种业)；45#碳钢(昆山德莱克模具钢材有限公司)。

仪器：生化培养箱(HPS- 250，HDL Apparatus)；电子天平〔0.1 mg，TP- 1102，赛多利斯(北京)科学仪器有限公司〕；电热恒温水浴锅(DK- S22，上海精宏试验设备有限公司)；电热恒温鼓风干燥箱(DHG- 9246A，上海精宏试验设备有限公司)；吹风机(FH6232，上海飞科电器股份有限公司)；依拉勃气密隔离保护罩(法国依拉勃集团)；环境监控仪(空气通HK- B7，北京海克智动科技开发有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1抑尘率的测定及计算方法

参照天津市的道路负尘量[13]，设置负尘量为20～30 g/m2。筛选400目尘土，定量均匀铺陈于已知质量(W)的滤纸上，滤纸直径为9 cm。在尘土正上方15 cm处，按压喷雾瓶3次(溶液喷洒量为65.3 mL/m2)，喷施生物发酵高分子溶液水雾。自然干燥后称量载尘滤纸质量(W0)，常温下用吹风机在尘土正上方15 cm处吹蚀5 s，称量载尘滤纸质量(Wn)。定期模拟风蚀，按下式计算当天抑尘率(η)：

η=(Wn-W)/(W0-W)×100%

1.2.2不同分子量γ- PGA的制备及抑尘试验

配制1.000%高分子量γ- PGA(分子量为1 200 kDa)溶液(样品A)，取适量样品A分别在70 ℃水浴2 h、100 ℃水浴1 h、100 ℃水浴2 h、120 ℃水浴2 h，得到降解后的γ- PGA样品，编号分别为B、C、D、E，经高效液相色谱仪(HPLC)测定，其分子量分别约为900、350、100、35 kDa。将样品A、B、C、D、E均配制成0.100%的溶液，对负尘滤纸雾化喷洒，在第1、3、7、12天计算抑尘率。

1.2.3不同浓度γ- PGA溶液的抑尘试验

将样品A配制成0.100%、0.050%、0.010%、0.005%的溶液，对负尘滤纸进行雾化喷洒，分别在第1、3、7、12天计算抑尘率。

1.2.4γ- PGA与多糖复配抑尘试验

将γ- PGA分别与PU、XG、CS、HA按质量比为1∶2、1∶1、2∶1进行复配，复配溶液总浓度均为0.100%，分别用浓度为0.100%的单品γ- PGA、PU、XG、CS、HA和水作对照，检测第1、3、7、10天时的抑尘率。

1.2.5依拉勃抑尘测试

采用依拉勃气密型隔离保护罩(简称依拉勃，Erlab)作为测试装置(图1)，通过蚊香烟雾模拟细颗粒物，考察喷水和0.100%γ- PGA处理后的抑尘率。将足量氯化钙放入9 cm培养皿盖中，培养皿盖置于封口袋中，放在依拉勃内两侧，将环境监控仪放入装置内的支架上，在装置内部上方喷施溶液。点燃蚊香，待烟雾扩散均匀后放入依拉勃内，当PM10达到最大读数并保持稳定后，将蚊香取出，用环境监控仪监测内部颗粒物数浓度，每隔约5 min记录1次，连续记录30 min，用喷雾器喷水或0.100%γ- PGA，立即撤掉封口袋，喷施液体量为27.5 g/m3，以未喷施任何液体(自然沉降)作为对照，记录喷施60 min内仪器中颗粒物数浓度(N)。分别计算粒径大于0.3、0.5、1.0、2.5、5.0和10.0 μm的颗粒物数浓度，求颗粒物数浓度的对数Y=lgN。绘制不同时间下不同粒径颗粒物数浓度对数曲线，以曲线斜率绝对值(消除斜率)表示颗粒物的降低程度。

1.2.6γ- PGA的安全性评价

1.2.6.1种子萌发试验

选取颗粒饱满的草地早熟禾种子，将种子在H2O2溶液中浸泡2 min后，用自来水冲洗干净，放入40 ℃的水浴锅中浸泡20 min。将100粒浸泡好的种子均匀铺在含有滤纸和脱脂棉的直径9 cm的一次性平板中，分别用0.010%、0.100%、1.000%的γ- PGA浸润种子，以自来水作为对照，每个样品设4个平行样，置于24 ℃培养箱中培养，保持种子及定性滤纸的湿润，干燥时适量加水，第6天和第12天记录种子发芽情况。计算公式如下：

f=n/100×100%

s=(F1-F2)/F1×100%

式中：f为种子发芽率，%；n为种子发芽数；F为种子平均发芽率，%；s为种子相对受害率，%；F1为自来水处理种子平均发芽率，%；F2为γ- PGA溶液处理种子平均发芽率，%。

1.2.6.2碳钢腐蚀试验

碳钢片外形尺寸(l×b×h)为(50±0.5)mm×(25±0.4)mm×(5±0.2)mm。将碳钢片用水充分洗涤，然后用酒精浸泡脱脂洗净，迅速干燥后贮于干燥器内，放置到室温后精确测量尺寸和质量。将碳钢片浸入0.010%、0.100%、1.000%的γ- PGA溶液中，观察碳钢片和溶液的变化情况，并记录，每组试验设3个平行样。到达预定时间后取出碳钢片，用水冲洗，用毛刷擦去腐蚀产物，用酒精浸泡脱脂洗净，迅速干燥后贮于干燥器内，放置到室温后精确称重。腐蚀速率的计算公式如下：

R=8.76×107×(M-M1)/(STD)

式中：R为腐蚀速率，mm/a；M为试验前的碳钢片质量，g；M1为试验后的碳钢片质量，g；S为碳钢片总面积，cm2；T为试验时间，h；D为碳钢片密度，kg/m3。

2 结果与讨论

2.1 不同分子量γ- PGA的抑尘效果

采用模拟扬尘的方法测定不同分子量γ- PGA的抑尘率，结果如图2所示。从图2可以看出，在第1、3、7和12天，分子量分别为1 200、900、350 kDa的样品A、样品B、样品C抑尘率呈无规则变化，且无明显差别，当分子量降为100、35 kDa时，样品D、样品E抑尘率明显降低。可见，当γ- PGA分子量大于350 kDa时，具有较高的抑尘效果，分子量小于350 kDa，抑尘效果较差。第12天与第1天相比，样品A、样品B、样品C、样品D、样品E抑尘率分别下降10.6%、13.9%、16.6%、25.7%、36.8%，样品A在12 d内抑尘率下降最低，抑尘效果最好，故选取样品A作为试验样品。

图2 不同分子量γ- PGA的抑尘效果Fig.2 Effect of different molecular weight γ- PGA on dust suppression

2.2 不同浓度γ- PGA的抑尘效果

在滤纸上喷洒浓度为0.100%、0.050%、0.010%、0.005%的γ- PGA溶液，其抑尘效果见图3。从图3可以看出，第1、3、7、12天，随着γ- PGA浓度的降低，抑尘率均降低。喷洒各浓度γ- PGA的样品在第3、7、12天与第1天相比，抑尘率下降较低，基本在15%以内，γ- PGA可以长期、有效预防风蚀扬尘，减少二次扬尘，效果持久。

图3 不同浓度γ- PGA抑尘效果Fig.3 Dust suppression effect of γ- PGA with different concentrations

2.3 γ- PGA与多糖复配的抑尘效果

以γ- PGA为主，适量添加具有特殊功能的可降解生物基聚合物PU、CS、HA和XG，开发出多功能复合抑尘剂。PU、CS、HA和XG均在化妆品原料目录内，其中，PU、CS和XG还是食品添加剂，且价格低廉，HA是新食品原料，安全无毒。PU具有良好的成膜性、黏附性[14]，有助黏结颗粒物，延长抑尘效果维持时间；CS具有抑菌作用[15]，有效抑制颗粒物中微生物滋生，减少疾病传播；HA具有保湿性，有助延长颗粒物湿润增重时间，减少二次扬尘；XG能在一定范围内耐酸碱、抗冻耐热[16]，有助减缓γ- PGA降解速度，延长抑尘效果维持时间。单个物质的抑尘效果见图4。由图4可见，受试条件下，γ- PGA比HA、XG、CS、水的抑尘率高，且较稳定。γ- PGA、PU在第1天就表现出比喷水更优的抑尘率。喷水试验组抑尘率在第3天时迅速下降近50%，而γ- PGA、PU、XG在第10天时仅下降9.7%、16.5%和18.1%。

图4 单个物质的抑尘效果Fig.4 Dust suppression effect of several single substances

图5 γ- PGA与多糖在不同复配比下的抑尘效果Fig.5 Coordinated- effect of γ- PGA and polysaccharides in different proportion on dust

γ- PGA与多糖在不同复配比下的抑尘效果见图5。从图5可以看出，γ- PGA/HA、γ- PGA/XG在适宜复配比(2∶1)下，抑尘率优于单独使用，而γ- PGA/CS抑尘效果较弱，γ- PGA/PU抑尘效果与单独使用γ- PGA的抑尘效果相差不大，整体优于纯水。出现这种现象的原因可能是γ- PGA、HA、XG为阴离子聚合物，相同电荷间存在静电排斥作用，复配后各分子处于排斥舒展状态，喷雾时分散效果好，所以抑尘率有所增强；CS为阳离子聚合物，γ- PGA和CS上的电荷之间存在静电作用，容易形成凝聚体，喷雾时分散效果差，抑尘效果减弱，目前已有透明质酸壳聚糖[17]、壳聚糖聚阴离子[18]形成复合凝聚体的报道；PU呈弱电偏中性，复配后抑尘效果变化不大。

2.4 依拉勃降尘测试效果

试验中发现环境监控仪不能区分烟尘颗粒和水雾颗粒，喷施的水分会干扰仪器，使仪器读数大幅增加，为消除密闭空间水雾影响，加入氯化钙颗粒吸湿，降低水雾颗粒对仪器的干扰。加入干燥剂前后自然沉降、喷水前后、喷施0.100%γ- PGA前后不同粒径的颗粒物数浓度对数随时间的变化见图6～图8。

从图6～图8可以看出，随着时间的推移粒径较大的颗粒物消除斜率大，说明沉降速度快；颗粒物存在自然沉降过程，不同方法处理后，粒径大于5.0 μm的颗粒物已全部沉降。从图6可以看出，粒径大于0.3、0.5、1.0和2.5 μm的消除斜率均较小，加入干燥剂前后消除斜率相差不大，增幅为-16.20%～14.00%(表1)。从图6～图8和表1可以看出，喷水及0.100%γ- PGA处理后颗粒物数浓度对数曲线消除斜率明显比自然沉降大，说明喷水及0.100%γ- PGA处理后颗粒物沉降速度加快，尤其对粒径较小的颗粒物效果较好，喷水及0.100%γ- PGA处理前后粒径大于0.3 μm颗粒物消除斜率增幅分别为78.26%和51.04%，自然沉降仅为8.57%，随着粒径的增大，增幅有降低趋势，总体优于自然沉降；另外，水对颗粒物的沉降作用略优于0.100%γ- PGA，这可能与水的分散效果好及密闭空间有关，但并不影响γ- PGA对颗粒物的黏附作用等。

图6 干燥处理前后不同粒径的颗粒物数浓度对数随时间的变化(自然沉降)Fig.6 The change of particle logarithm with time before and after drying(natural sedimentation)

图7 喷水前后不同粒径的颗粒物数浓度对数随时间的变化Fig.7 The change of particle logarithm with time before and after spraying water

图8 喷施0.100%γ- PGA前后不同粒径颗粒物数浓度对数随时间的变化Fig.8 The change of particle logarithm with time before and after spraying 0.100% γ- PGA

表1 颗粒物消除斜率统计比较

2.5 γ- PGA对草地早熟禾种子萌发的影响

不同浓度γ- PGA对种子发芽率的影响见表2。从表2可以看出，在第6天时，0.010%、0.100%的γ- PGA处理，种子平均发芽率均高于对照组，分别提高了35.7%和45.9%，未受害；1.000%γ- PGA处理，种子平均发芽率仅为2.00%±0.71%。在第12天时，各组种子平均发芽率较第6天时均有所提高，0.010%、0.100%的γ- PGA处理，种子平均发芽率较对照组提高了36.0%、33.0%，未受害；1.000%γ- PGA处理，种子平均发芽率仅为2.50%±1.12%。较低浓度(0.010%、0.100%)γ- PGA对种子萌发有促进作用，高浓度(1.000%)γ- PGA则对种子萌发有抑制作用。在实际操作中，经泡雾车雾化喷洒在绿化带上的γ- PGA浓度较低，一般为0.1%左右，因此，对绿化带上的绿植有促生长作用。

表2 不同浓度γ- PGA对种子发芽率的影响

2.6 γ- PGA对碳钢片的腐蚀性

试验记录了第25和90小时碳钢片的腐蚀情况，如图9所示。

图9 第25和90小时碳钢片的腐蚀情况Fig.9 Corrosion of carbon steel at 25th and 90th hour

由图9可见，水(对照组)中的碳钢片生锈最多，其次是0.010%γ- PGA处理的碳钢片，然后是0.100%γ- PGA处理的碳钢片，1.000%γ- PGA处理的碳钢片生锈最少。第90小时，γ- PGA溶液已变浑浊，有染菌现象，终止试验，取出碳钢片测定腐蚀率，结果见表3。由表3可见，水、0.010%γ- PGA、0.100%γ- PGA、1.000%γ- PGA处理的碳钢片腐蚀率呈降低趋势，平均腐蚀率分别为0.078、0.072、0.054、0.043 mm/a。高浓度γ- PGA可降低腐蚀率，可能是γ- PGA为大分子物质，在金属表面可以形成保护膜。