水培-CO2 释放测定法评价皮革的生物降解性

王圳 ，刘洵志 ，张雨鑫 ，王亚楠 ，2＊，石碧 ，2

（1. 四川大学制革清洁技术国家工程实验室，四川 成都 610065；2.四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室，四川 成都 610065）

皮革行业能够合理利用屠宰和肉类加 工 行 业的废弃物——生皮，将其转变为高附加值的皮革产品，实现了动物生物质资源的循环利用，符合“循环经济 ”和“ 可 持 续 发 展 ”理 念[1-2]，并 高 度 契 合 国 家“ 碳中和”战略目标。从全生命周期评价的角度来看，皮革产 品在 使用 并废 弃后 如何 进行 处置 、对 自 然 环 境产 生何 种影 响 、能否 从取 于自 然到 回归 自 然 等 问 题值 得 进 一 步 深 入 研 究 。 其 中 ，生 物 降 解 性 是 评 价 皮革生态性的一项重要指标[3-4]。生物降解是有机物在微生 物的 作用 下分 解成 无 机 物 （如 二 氧 化 碳 和 水）或简单有机物的过程[5-6]。以天然高分子——胶原为主要 成分 的真 皮革 ，其 生物 降解 性 理 应 较 一 些 合 成高分子材料更为优秀。但需注意的是，鞣制是将生皮质变为皮革的关键过程，它能显著提升皮革的耐热、耐化学和耐微生物稳定性。因此，皮革的鞣制效应与其生物降解性之间存在矛盾。目前，由于对含Cr(III)废水排放和固废处理的严格限制，占据行 业主导地位的铬鞣技术受到极大制约，新型无铬鞣制技术的研究正在快速发展[7-12]。其中，两性醛鞣剂TWS[13-14]、氧化多糖 - 非铬金属鞣剂 TWLZ[15-16]和有机氯鞣剂 F-90[17]等已经工业生产，并在皮革行业中推广应用。上述新兴技术生产的无铬鞣革尽管在鞣制稳定性方面不及铬鞣革，但其生物降解性与传统铬鞣革相比可能具有优势，相关研究的开展对于皮革行业的绿色升级具有重要意义。

确立适用于皮革的生物 降解性测试方 法 是 开展相关研究的基础。文献报道过的探究皮革生物降解性的方法有土埋测定法[18-19]，堆肥 -CO2测定法[20]，水培 -BOD 测定法[21]等。2020 年发布的 ISO 20136标准[22]则通过测定皮革在含活性污泥的水性培养液中分解释放的 CO2的方式来计算皮革的生物降解率。在此标准中，皮革样品用量、污泥用量、参比材料、降解时间和降解温度等参数 / 条件并未做出明确规定或有待优化。本研究以多种鞣制皮革为测试对象，对 ISO 20136 标准的测试条件进行优化，旨在获得一种高效、可靠的皮革生物降解性测定方法，为 皮 革 生 态 性 评 价 提 供 有 力 支 撑 ， 并 提 高 ISO 20136 标准在我国皮革行业的适用性和可操作性。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

浸酸牛皮，山东某制革厂提供；活性污泥，悬浮固体浓度（MLSS）约为 6250 mg/L，取自成都某污水处理厂好氧池；TWLZ 鞣剂和 TWS 鞣剂，工业级，四川亭江新材料股份有限公司；铬鞣剂，工业级，海宁市和平化工有限公司；氧化海藻酸钠鞣剂（OSA），按照文献方法，由高碘酸钠氧化海藻酸钠制得[12]；I 型胶原，北京索莱宝生物科技有限公司。

GLSD 不锈钢转鼓，无锡新达轻工机械有限公司；TMA-YD4 胶原纤维热形变分析仪，陕西科技大学阳光 电 子 研 究 所；ZM 200 超 离 心 粉 碎 机 ， 德 国Retsch 公 司 ；Vario EL 元 素 分 析 仪 , 德 国 Elementar公司；RESP-12 生物降解仪，斯洛文尼亚 ECHO 公司。

1.2 皮革样品准备

将浸酸牛皮沿背脊线对称部位进行裁样，称重，按照表 1～ 表 4 工艺进行鞣制。另外，用小苏打将浸酸牛皮去酸至 pH 5，得到去酸皮，作为待考察的参比材料。将皮 / 革剪成约 3 cm × 3 cm 的小块，置于 45 ℃烘箱中干燥 24 h 后用超离心粉碎机粉碎成粒径约为 2 mm 的皮革样品 （含水量约 10%左右），密封保存，以备生物降解测试。

表1 TWLZ 鞣制工艺Tab. 1 TWLZ tanning process

表4 铬鞣工艺Tab. 4 Chrome tanning process

1.3 皮革生物降解性的测定

表2 OSA 鞣制工艺Tab. 2 OSA tanning process

表3 TWS 鞣制工艺Tab.3 TWS tanning process

按 ISO 20136:2020 标准[22]配制氯化铁、硫酸镁、氯化钙、磷酸盐缓冲液和硫酸铵的储备液。向 1 L 容量瓶中分别加入 2 mL 氯化铁、硫酸镁、氯化钙、硫酸铵储备液以及 4 mL 磷酸盐储备液，并用超纯水定容，得到试验培养基。向活性污泥中加入 0.1%（以污泥质量计）的无水葡萄糖和上述各储备液，曝气24 h 进行活化。

实验所用全套生物降解仪如图 1 所示。用量筒量取 50 mL 活化污泥和 450 mL 试验培养基于 1 L反应瓶内，加入皮革样品使其质量浓度为 0.2 g/L（以样品实际质量计），此时的样品 - 污泥质量比（样品与活性污泥中悬浮固体的质量比）约为 1∶3。将反应瓶置于 23 ℃恒温箱中，进行恒温搅拌培养，设置气体流速为 100 ml/L，通道测定时间为 10 min，转子转速为 350 r/min。另外设置 2 组不加皮革样品、其余条件相同的反应瓶作为阴性对照，设置 2组加入参比材料（去酸皮或 I 型胶原）、其余条件相同的反应瓶作为阳性对照。在实验过程中，通过红外 CO2感应探头实时监控反应瓶内的 CO2产生质量，并用某实验组结果扣除阴性对照组结果，得到该组皮革样品降解所产生的 CO2质量。

图1 RESP-12 生物降解仪Fig.1 RESP-12 biodegradation instrument

皮革样品在 t 时间的生物降解率可通过以下公式进行计算：

其中，m1是指在 t 时间内皮革样品降解所产生的 CO2质量（mg）；m0是指理论上样品完全分解所产生的 CO2质量（mg）。

皮革样品的 m0通过使用元素分析仪对皮革样品的 C 元素测定结果计算得出。当阳性对照组的最终降解率高于 70%时，认为该批次实验数据有效。需要说明的是，本实验未使用 ISO 20136 规定的相对生物降解率（相对于阴性对照），而是用皮革样品的绝对生物降解率来进行分析讨论。

1.4 生物降解实验条件的优化

为确定降解实验的测试结束时间，按照 1.3 所述实验步骤对 TWLZ 鞣革、OSA 鞣革、TWS 鞣革和Cr 鞣革的生物降解性进行测定，降解时间为 30 d。该实验中，皮革样品的质量浓度为 0.2 g/L，样品 -污泥质量比为 1∶3，降解温度为 23 ℃。

ISO 20136:2020 标准中所规定的参比材料是生物降解性良好的 I 型胶原，但其价格较昂贵。为了降低实验成本，本研究考察了参比材料替换为去酸皮的可行性。同时，考察了样品 - 污泥质量比对降解实验的影响。设置 4 组实验，分别为去酸皮样品 - 污泥质量比 1∶3、去酸皮样品 - 污泥质量比 1∶6、去酸皮样品 - 污泥质量比 1∶9 和 I 型胶原样品 - 污泥质量比 1∶3。另外，样品质量浓度为 0.2 g/L，降解温度为 23 ℃，降解时间为 20 d，其余操作步骤同 1.3。

为考察 样 品 质量浓度对降 解 实验 的 影响，以TWLZ 鞣革为降解样品，设置样品质量浓度分别为0.2 、0.4 和 0.6 g/L 的 3 组实验。另外，样品 - 污泥质量比为 1∶3，降解温度为 23 ℃，降解时间为 20 d，其余操作步骤同 1.3。

为适当加速生物降解过程，节省测试时间，考察了降解温度对降解实验的影响。以 TWLZ 鞣革、OSA鞣革、TWS 鞣革和 Cr 鞣革为降解样品，设置降解温度分别为 23、30、35 ℃的 3 组实验。另外，样品质量浓度为 0.2 g/L，样品 - 污泥质量比为 1∶3，降解温度为 23 ℃，降解时间为 20 d，其余操作步骤同 1.3。

2 结果与讨论

2.1 降解结束时间的确定

每间隔 1 天采集皮革样品的生物降解率数据，绘制皮革生物降解率在 30 d 内的变化曲线，如图 2所示。作为参比材料的去酸皮，其生物降解过程在17 d 后进入平台阶段，不再发生明显的变化，且生物降解率达到了 70%以上，说明本批次实验数据有效[22]。不同鞣法所得皮革的生物降解率在 17～20 d时保持相对稳定，在 20 d 后又呈现缓慢的上升趋势。在降解 20 d 时，OSA 鞣革和 TWLZ 鞣革的降解率最高，分别为 60.8%和 60.4%，随后是 TWS 鞣革（18.8%）和 Cr 鞣革（10.2%）。因此，若想快速比较不同皮革样品的生物降解性差异，可选择降解 时间为20 d。若想获得皮革的最终生物降解率，则可继续延长测试时间。另外需要说明的是，本批次实验污 泥的 活 性较差 ，导 致 部 分 鞣 革 生 物 降 解 率 较 低 ，后 续实验中更换了新的活性污泥。

图2 皮革样品在 30 d 内的生物降解率变化Fig.2 Changes in biodegradation rates of leather samples within 30 days

2.2 参比样品选择及样品 - 污泥质量比对皮革生物降解的影响

ISO 20136 标准中所规定的参比材料是生物降解性优良但价格昂贵的 I 型胶原。如图 3 所示，在相同的降解条件下，I 型胶原的生物降解率在 20 d 后即达到 90.9%，高于去酸皮的 76.8%，展现出更好的生物降解性。但是去酸皮经过了鞣前准备工段的处理后，其主要成分也是未改性的胶原纤维，其生物降解性在 20 d 后也超过了 70%，满足作为参比材料的要求。考虑到降解实验的可靠性和材料成本等问题，去酸皮替代 I 型胶原作为参比材料是可行的。

图3 I 型胶原和去酸皮的生物降解率Fig.3 Biodegradation rates of type I collagen and depickled hide

此外，3 组去酸皮降解结果显示，随着样品 - 污泥质量比从 1∶3 变化至 1∶9，降解初始 7 d 内降解速率有所提高，但 20 d 降解率仅由 76.8%提高至84.2%，升高幅度不大。说明样品 - 污泥质量比为1∶3 时，活性污泥量已足够用于皮革的生物降解。因此，选择样品 - 污泥质量比为 1∶3 进行降解实验。

2.3 样品质量浓度对皮革生物降解的影响

样品的质量浓度对皮革生物降解的影响见图 4。当样品质量浓度分别为 0.2、0.4 和 0.6 g/L 时，20 d 降解率分别为 48.7%、52.7%和 49.0%，无明显区别。在降解过程之中，各组的降解速率也并未出现显著差异。说明在样品 - 污泥质量比为 1∶3 条件下，质量浓度为 0.6 g/L 的皮革样品中的可降解部分仍能被活性污泥降解。因此，样品质量浓度 0.2～0.6 g/L 均可，为了避免取样误差，样品质量浓度可适当加大。

图4 样品质量浓度对皮革生物降解的影响Fig.4 Effect of sample mass concentration on biodegradation of leather

2.4 降解温度对皮革生物降解的影响

图5 展示了 3 种无铬鞣革和铬 鞣 革 在 不同降解温度下的生物降解率变化情况。对该生物降解率曲线进行一级动力学拟合[23-24]，拟合方程式如下：

图5 降解温度对皮革生物降解的影响Fig.5 Effect of temperature on biodegradation of leather

其中，m1是指在 t 时间内皮革样品降解产生的CO2质量 （mg）；m0是指理论上样品完全分解产生的CO2质量（mg）。k 是降解速率常数，t 是降解时间。

拟合结果及 20 d 降解率见表 5。当温度从 23℃提高到 30 ℃时，各组皮革的 20 d 生物降解率均有约 10%的增幅，并且降解速率常数 k 变大，表明皮革生物降解的程度和速率均有提高。当温度升高到 35 ℃时，20 d 降解率无明显提升，而 k 值则有一定降低，说明此时皮革的生物降解速率较 30 ℃时有所减慢。这是因为活性污泥中微生物的生长繁殖和降解活动受到温度的影响[25]，30 ℃是活性污泥降解皮革的较适宜温度。因此，为了适当加速生物降解过程，缩短测试时间，降解温度选择为 30 ℃。另外，在各个温度下，以 20 d 降解率为评价指标，不同方法鞣制皮革的生物降解性排序均为 OSA 鞣革＞TWLZ 鞣革＞TWS 鞣革＞Cr 鞣革，体现了无铬鞣革在生物降解方面的优势。

3 结论

以 ISO 20136 标准为基础，通过对降解条件的探究，获得了一种用于评价皮革生物降解性的水培 -CO2释放测定法。优化后的降解条件为：降解时间为 20 d，参比材料可用去酸皮替代 I 型胶原，样品 - 污泥质量比为 1∶3，样品质量浓度为0.2～0.6 g/L，降解温度为 30 ℃。该方法高效、可靠、普适性强，可为不同种类的皮革产品，特别是无铬皮革的生态性评价提供数据支撑，助力皮革行业的绿色可持续发展。