材料生物降解性评价方法及其在皮革行业的应用进展

张雨鑫，王圳，王亚楠，＊

（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）

生物降解是指通过生物的分解代谢作用，将材料逐步消解，导致材料质量损失、物理性能下降、化学结构显著变化，最终被分解成小分子化合物及新的生物质的过程[1-2]。相较于高等植物和动物，微生物在生物降解过程中所起作用最大，所以生物降解一般指微生物降解[3]。生物降解过程主要分为三个阶段：第一阶段为初级生物降解，即材料的化学结构开始发生变化，其完整性遭到破坏；第二阶段为环境可接受的生物降解，是指有机物降解产物对环境不再产生危害；第三阶段为最终生物降解，是指材料通过生物降解实现完全解体，彻底转变为无机物或简单有机物[4]。

真皮革（以下简称皮革）是由生皮经一系列物理、化学和生化过程加工得到的天然高分子材料，其主要成分是胶原，这从本质上决定了皮革与其他合成高分子材料相比具有更优良的生物降解性。事实上，皮革行业是对动物生物质资源循环利用的典范，其将畜牧业和肉类加工业的废弃副产物——生皮进行加工生产获得具有高附加值的皮革产品，避免了生皮被丢弃至环境中产生大量的温室气体[5]。因此，皮革行业的存续符合可持续发展和循环经济的理念，与“双碳”战略目标[6-7]高度契合。当然，从全生命周期，即“从摇篮到坟墓”甚至“从摇篮到摇篮”的角度，皮革产品在使用及废弃后应如何处理和资源化利用、如何做到取之于自然又回到自然等问题值得进一步研究，而生物降解性正是表征皮革产品可持续性的重要指标之一。

但是，目前关于皮革生物降解性的研究尚不够系统，同时在标准体系建设方面也不够完善，仅有ISO 20136 这一个测定皮革生物降解性的方法标准。因此，系统研究各种皮革产品在不同环境下的生物降解情况，以及降解过程对环境造成的潜在影响，对于评价皮革的可持续性、建立健全相关标准体系、推动皮革行业绿色低碳发展具有重要意义。

在生物降解性的评价方面，塑料行业可为皮革行业提供借鉴。塑料因性能稳定得以广泛使用，但其在环境中存在时间长，几乎不可生物降解，因此被认为是持久性污染物[8]。此外，由塑料转变而成的微塑料作为一种新污染物，对环境、人体等都可能产生潜在危害[9-10]。生物降解塑料在自然环境下（特定微生物、湿度、温度）能够较快地降解为对环境无害的物质，近年来该领域的研究迅速兴起[11]。随着生物降解塑料产业的快速发展，对塑料生物降解性的测试需求也日渐增长。目前塑料行业已经制定了较为完备的测试标准体系[12]，这为皮革生物降解性的评价提供了重要参考。

本文按照降解环境的不同，将生物降解性的测试方法分为水性环境降解法、堆肥降解法和土埋降解法3 类，在梳理塑料、皮革、纺织品等材料的生物降解性测试标准及研究现状的同时，概述了皮革生物降解性的研究进展，并综合比较了不同的生物降解性测试方法进行，以期为皮革生物降解性的研究及评价标准体系建立提供参考依据。

1 生物降解性测试方法及标准

对高分子材料生物降解性的测试方法主要分为两种，即筛选试验（如酶解、水解试验等）和模拟现实条件试验（如土埋法、堆肥法等）[13]。模拟现实条件试验因能反映真实环境下的降解情况，应用范围更广。根据生物降解环境，模拟现实条件试验又可分为水性环境降解法（分需氧条件和厌氧条件）、堆肥降解法（分需氧条件和厌氧条件）和土埋降解法（图1）。接下来将详细介绍这3 种方法的原理、国内外现有标准及研究进展。

图1 不同环境下的生物降解方法分类Fig.1 Classification of biodegradation methods in different environments

1.1 水性环境降解法

水性环境降解法是将待测样品（作为唯一碳源）置于由无机培养液和接种物（通常是活性污泥）组成的溶液中，利用接种物中的微生物进行降解的方法。活性污泥主要由絮凝状基质和被包埋在基质中的微生物（以细菌为主）两部分构成。待测样品与活性污泥絮体接触时，会吸附并且凝聚在污泥表面，成为污泥絮体中微生物的外源营养物质[14]。该方法现有的针对塑料的ISO 标准及国标转化情况如表1 所示，还有针对皮革和非织造布的2 个标准也在表1 中列出。根据生物降解环境是否有氧可以分为需氧和厌氧，需氧条件下可通过测定密闭呼吸计的需氧量或CO2的释放量来计算生物分解率，厌氧条件下则通过测定生物气体量（CO2和CH4）及溶解无机碳之和来计算生物分解率。根据试验介质的不同又可以分为淡水条件和海水条件。

表1 水性环境下测试材料生物降解性的标准Tab.1 Standards for determining biodegradability of materials in aqueous environments

研究者参照上述ISO 标准开展了许多有关塑料生物降解性评价的工作，其中ISO 14851（测定密闭呼吸计中需氧量）和ISO 14852（测定释放的CO2）由于方法较简单、应用场景更普遍而被广泛用于评价塑料的生物降解性。Rapisarda M 等人[15]用ISO 14851 考察了紫外照射对两面涂有聚乙烯醇和聚偏二氯乙烯的再生纤维素薄膜的生物降解性的影响，发现紫外照射几乎不改变该薄膜的降解率，照射前后降解率均超过70%。Fa W 等人[16]用ISO 14852 研究了TiO2-FeSt3- 聚乙烯（TFPE）复合薄膜的热氧降解残留物和光降解残留物的生物降解性，发现热氧降解残留物的生物降解率是常规聚乙烯（PE）的1.6 倍，光降解残留物的生物降解率约为PE 残留物的10 倍，这表明向PE 中添加TiO2和FeSt3提高了TFPE 复合薄膜的生物降解性。为了充分考察材料在不同环境下的降解情况，除了需氧环境外，还可对材料在厌氧环境下的降解性进行考察，如Jbilou F 等人[17]用ISO 14853 评估了以甘油为增塑剂制备的玉米粉基材料在厌氧水环境下的生物降解性，结果表明玉米粉基材料的生物降解速度比天然玉米粉快；Yagi H等人[18]用改进的ISO 13975比较了4 种生物塑料粉末，即聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚羟基丁酸酯（PHB）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS），在55 ℃厌氧环境下的生物降解情况，生物降解率排序为PHB（90%，14 d）＞PCL（80%，50 d）＞PLA（75%，75 d）＞PBS（不降解）。此外，由于塑料垃圾对海洋的污染日益严重，研究塑料在海洋环境下的降解很有必要。Briassoulis D 等人[19]用ISO 19679 测定了实验室模拟条件下4 种塑料在海水/ 砂质沉积物界面的生物降解率，并对该标准进行了优化，发现在实验室条件下加入磁力搅拌模拟波浪运动，不仅明显提高了生物降解速率，而且与自然条件的降解结果类似。

目前，测定皮革生物降解性的唯一标准为ISO 20136，该标准与ISO 14852 类似，都是通过测定CO2释放量来计算生物降解率。有研究用该标准考察了不同鞣制方法所得皮革的生物降解性。例如，Guida M 等人[20]评估了铬鞣、植-醛结合鞣及无金属有机鞣牛皮汽车革的生物降解性，结果显示铬鞣革在70 d 的降解率为40%左右，植- 醛结合鞣革及无金属有机鞣革的降解率均达到80%以上，这说明无铬鞣革比铬鞣革更易生物降解。王圳等人[21]以氧化多糖- 非铬金属鞣革、两性醛鞣革及铬鞣革为测试对象，对ISO 20136 的测试条件进行了优化。得到的优化结果如下：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 ℃，降解时间为20 d，参比材料可用去酸皮替代I 型胶原（图2）。

图2 (a)RESP-12 生物降解仪；(b)不同鞣革在30 d 内的生物降解率变化情况[21]Fig.2 (a) RESP-12 biodegradation instrument; (b) Changes in biodegradation rates of different tanned leather samples within 30 days[21]

1.2 堆肥降解法

堆肥是指将城市固体废物、园林和农田废料、食物垃圾、禽畜粪便等混合，经一段时间的发酵腐解制得的有机肥料的生物化学过程。堆肥也可以指堆肥化或堆肥处理，是利用自然界广泛存在的微生物，有控制地促进固体废物中的有机物转化为稳定腐殖质的生物化学过程[22]。堆肥降解就是以堆肥为介质对材料进行生物降解的方法，由于其具有实验操作简便、降解效果好等特点，近年来发展迅速。塑料行业率先采用堆肥的方式，对聚羟基脂肪酸酯（PHA）、PLA、PBS、PCL、淀粉基生物降解塑料等开展了大量生物降解实验，并以此为依据制定了多项标准（表2）。这些方法标准中的堆肥条件有所不同，根据堆肥时是否有氧同样分为需氧和厌氧条件。需氧条件下通常测定CO2释放量来计算生物分解率，或测定材料的崩解程度来表征其生物降解性能；厌氧条件下则通过测定生物气体量（CO2和CH4）来计算生物分解率。

表2 堆肥条件下测试材料生物降解性的标准Tab.2 Standards for determining biodegradability of materials under composting conditions

ISO 14855 测定材料在模拟的强烈需氧堆肥条件下的最终需氧生物分解能力及崩解程度，也可以用蛭石代替腐熟堆肥，是堆肥环境下评估塑料等材料生物降解性使用最多的方法。其中，ISO 14855-1 用气相色谱、红外检测器或总有机碳分析仪来测量释放的CO2，ISO 14855-2 则用重量分析法测定释放的CO2。Cha W Y 等人[23]用ISO 14855-1 考察了海藻基（龙须菜和马尾藻）薄膜的堆肥降解情况，发现降解45 天后海藻基薄膜表现出与微晶纤维素（阳性对照）相当的生物降解率，是文献报道的聚琥珀酸丁烯（PBSe）薄膜的17 倍（图3）。Tachibana Y 等人[24]基于ISO 14855-2 评估了添加10%乙酸丁酸纤维素（CAB）的PBS 的生物降解情况，发现加入CAB 可使PBS 在60 d 堆肥实验中不降解。

图3(a)各材料降解的CO2 释放量曲线；(b)各材料50 d 的生物降解率；(c)海藻基薄膜样品降解外观图[23]Fig.3 (a) Curves of accumulated CO2 production during biodegradation of test materials; (b) Percentage biodegradation of test materials within 50 days; (c) Sample appearance during degradation[23]

皮革在堆肥环境下的降解研究目前较少，且没有建立相关方法标准。Zuriaga A E 等人[25]将钛鞣革、戊二醛鞣革、噁唑烷鞣革、植鞣革、铬鞣革用于堆肥实验，测定其生物降解率，发现钛鞣革的生物降解性最佳，戊二醛鞣革和噁唑烷鞣革次之，优于铬鞣革和植鞣革，并预测在工业堆肥条件下钛鞣革最终将完全降解。皮革作为一种生物质材料，在堆肥环境下具有良好的生物降解性，并可在堆肥降解后转化为堆肥的一部分，若施于农田改良土壤，可实现皮革的循环利用。因此，堆肥有望成为废弃皮革资源化利用的一种新途径。

1.3 土埋降解法

土埋法作为一种传统且简便的试验方法，能够较为真实地反映自然条件下材料在土壤中的分解情况[26]，对于评估材料的生物降解性具有现实意义。土埋法主要分为自然土埋法和实验室土埋法两种。自然土埋法将试验材料埋于自然环境的土壤中，能真实地模拟材料在自然环境下的降解情况，但是该方法存在实验周期长、受自然条件影响较大、重现性差等问题[27]。实验室土埋法则通过控制土壤温度、湿度等条件来降低由降解环境带来的差异，可提高实验结果的重现性和准确性。表3 列出的土埋环境下材料生物降解性的测试方法标准均为实验室土埋法，均在有氧环境下进行，评价指标包含定量指标（如生物降解率、断裂强力、质量变化等）和定性指标（目测外观和结构变化、真菌生长等）。

表3 土埋环境下测试材料生物降解性的标准Tab.3 Standards for determining biodegradability of materials in soil-buried environments

Ardisson G B 等人[28]用ISO 17556 对基于玉米淀粉和可生物降解共聚酯的黑色地膜进行土埋降解实验，318 天后实验进入平台期，地膜的生物降解率为78%，生物降解性良好。Jiang H 等人[29]用GB/T 19275-2003 方法C 对竹纤维和木薯淀粉为原料制成的环保型竹纤维午餐盒进行土埋实验，发现午餐盒在第42 d 破碎（图4），在70 d 后完全降解。Vasile C 等人[30]用ISO 846 方法D 研究了在土埋环境下壳聚糖的加入对PLA 生物降解性的影响，将样品分别埋于天然土壤和无菌土壤中150 d，发现样品在天然土壤中的质量损失率更高，壳聚糖含量的增加促进了聚乳酸的生物降解。

图4 (a)竹纤维午餐盒降解外观图；(b)午餐盒降解质量损失；(c)午餐盒降解拉伸强度变化[29]Fig.4 (a) Change in appearance of bamboo fiber lunch box appearance during degradation; (b) Weight loss of the lunch box during degradation; (c) Tensile strength of the lunch box during degradation[29]

另有研究并未采用上述方法标准，而是自行设计土埋实验，对塑料等材料的生物降解性进行了考察。如Zamir S S 等人[31]研究了改性淀粉/PLA 纳米复合材料在室外的土埋降解情况，发现接枝淀粉纳米晶体g-SNCs 的加入促进了PLA 降解，土埋90 d的质量损失为25.7%。尹国平等人[32]分别用室内和室外土埋法对纳米SiO2改性大豆蛋白/ 聚乙烯醇复合薄膜的生物降解情况进行了考察，土埋161 d后室内土埋法生物降解率（64%）与室外土埋法（69%）差别不大。

皮革在土埋环境下的生物降解情况也有研究报道。在室外土埋环境下，Qiang T T 等人[33]研究了铬鞣、植物鞣、有机膦鞣、有机膦-锆结合鞣和有机膦-铝结合鞣皮革的生物降解率。发现在夏季室外土埋150 d 后，无铬鞣革降解率均高于铬鞣革（6.9%）。Vyskocilová G 等人[34]以皮革制文物研究为背景，考察了植鞣革、铬鞣革、植-铬结合鞣革在室外土埋环境下的降解过程，发现在土埋过程中所有皮革的油脂含量均显著降低，其中植鞣革的油脂含量下降最多，同时土壤中的无机盐进入皮革内部导致皮革力学性能下降。此外，Vyskocilová G等人[35]还对水解类和缩合类单宁鞣制皮革的土埋降解机理进行了研究，结果表明随着土埋时间的延长，皮胶原纤维的交联结构被破坏，皮革均发生不同程度的退鞣，其中水解类单宁鞣革退鞣更快。上述针对皮革在土壤环境下的降解研究，主要集中在探索不同鞣制方法对皮革生物降解性的影响。未来研究可继续扩展研究范围，考察制革过程不同工艺和材料对皮革生物降解性的影响，同时推进相关方法标准的制定。

2 现有生物降解评价方法对比

目前对材料生物降解性的评价方法已经涵盖了多种环境介质，如淡水水体、海水水体、堆肥、土壤等。按降解环境是否有氧，可分为需氧和厌氧条件。对材料生物降解性的评价指标则分为定量指标（如通过需氧量或CO2释放量计算得到的生物降解率、质量损失、力学强度变化等）和定性指标（如外观评价、微生物生长情况等）。

在水性环境下，针对塑料的生物降解性测试标准体系较为完善（图5）。相比而言，海水环境下的降解时间长于淡水环境，厌氧条件下的降解时间长于需氧条件（表1）。在实验装置方面，均需要在实验室搭建可控温的水性培养装置，并根据模拟水性环境的不同，准备不同的接种物。从研究角度来看，水性环境降解法存在以下问题：（1）评价指标单一，仅测定生物降解率一项指标；（2）材料大多需预处理成粉末状再进行生物降解测试，取样量小，一定程度上影响测试的准确性，且难以评估材料在降解过程中结构和性能的变化情况。

图5 水性环境下测试塑料生物降解性的ISO 标准分类Fig.5 Classification of ISO standards for determining biodegradability of plastics in aqueous environments

与水性环境降解法相比，堆肥降解法温度较高（通常为58 ℃，表2）。堆肥降解也分需氧和厌氧条件，其中在需氧条件下主要通过测定释放的CO2量来计算生物降解率，与水性环境降解法的测试原理相同。堆肥降解法的取样量比水性环境降解法更大，且评价指标更多元化，除了测定材料的生物降解率外，还可以考察材料在降解过程中的外观、结构和性能的变化，适用于材料降解机理的研究。

对堆肥环境与土埋环境下测试材料生物降解性的ISO 标准进行了归纳和分类（图6），可以看出绝大多数标准都是在需氧条件下进行生物降解。土埋降解法的温度要求比堆肥降解法低，主要在20～30 ℃（表3）。土埋降解法的时长从数天到数年不等，大多长于水性环境降解法和堆肥降解法。相比而言，该方法更能模拟自然条件下材料在土壤中的降解情况。同时，该方法的评价指标也较为多元，除了可以测定材料的生物降解率外，还可以通过评价土埋过程中材料的外观和性能变化以及土壤成分的变化等指标，更深入地研究和评价材料的生物降解性能。

图6 堆肥及土壤环境下测试材料生物降解性的ISO 标准分类Fig.6 Classification of ISO standards for determining biodegradability of materials in composting and soil environments

3 展望

基于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的国策要求，生物降解性成为评价材料是否绿色的重要指标之一。皮革是以胶原为主要成分的天然高分子材料，在生物降解性方面比合成高分子材料更具优势。有关皮革生物降解性的研究目前已取得了一些进展，但未来仍应在以下方向继续开展工作：（1）目前测定皮革生物降解性的方法标准仅有ISO 20136，亟待构建并完善适合测定皮革产品生物降解性的标准体系；（2）制革过程加入的多种化学品（如鞣剂、复鞣剂、加脂剂、涂饰剂等）会与皮胶原发生化学结合，故化学品及制革工艺的选择会对皮革的生物降解性产生重要影响（如从目前研究来看，无铬鞣革的生物降解性普遍优于铬鞣革），因此有必要明确化学品及工艺技术与皮革生物降解性之间的关系，这对于实现无铬生态皮革绿色制造具有重要意义；（3）皮革生物降解性的研究可为相关领域的研究，如皮革废弃物资源化利用、皮革行业全生命周期评价、皮革制文物劣化机理探究、生物质复合材料研发等，提供参考和借鉴。