上海海洋大学于飞团队JHM: COVID-19期间聚乳酸口罩风化降解行为及其对黑麦草生长影响

自2019年底发现首例新型冠状病毒肺炎病例以来，这种新型冠状病毒已传播至211个国家和地区。世界卫生组织（WHO）认为，全球病毒大流行正在发生并且世界正面临大规模病毒危机。政府鼓励佩戴和生产医用口罩作为一种低成本和有效的防护手段。目前，大多数医用口罩由聚丙烯（PP）、聚丙烯腈（PAN）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯和聚乙烯（PE）这些都是惰性合成塑料组成。医用口罩的大量消费导致了巨大的产量，但也导致了废弃口罩的处理困难。目前对于回收合成纤维织物和医用口罩没有有效的战略或官方指导。研究证明，由普通合成塑料制成的口罩，无论是新的还是使用过的，在处理后都会向环境中释放大量纤维状的微塑料。尽管公众对医用口罩的处理逐渐变得更加环保，大量一次性口罩得到合理回收，但仍有相当大数量的使用过的口罩被丢弃到环境中。一些研究证实，街道和海滩上丢弃了大量口罩，这些口罩不仅会影响环境的美观，还会造成潜在的环境威胁。研究表明实际环境中的微塑料主要是纤维状的，医用口罩可能成为纤维状微塑料的另一个主要来源。微塑料可以在环境中自然风化，由于其较小的粒径和比表面积，它们具有更强的吸附污染物的能力，广泛存在于各种环境介质中。它们更容易被误食，并且在生物物体中形成积累。这对动物、食品安全和公共健康构成巨大威胁，并有可能破坏生态系统。

为此具有更好的环境可接受性和可接受的机械性能的生物降解塑料正在迅速开发，以解决传统塑料在回收方面的缺点。这些生物塑料包括聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚羟基烷酸酯（PHA）、聚己内酯（PCL）、己二酸聚对苯二甲酸丁二醇酯酯（PBAT）等。聚乳酸（PLA）已广泛用于食品包装和医疗方面， PLA制成的医用口罩在这次新的疫情环境中发挥着重要作用。2021年初推出了一种由聚乳酸组成的新型可生物降解堆肥生物基布，可用于生产民用医用口罩的内外层织物。作为一种可生物降解的塑料，以聚乳酸为原料制成的一次性口罩比普通商用塑料制成的口罩具有更好的环境可接受性。当它们因管理不当而被丢弃在环境中时，它们可能会在一定程度上发生降解，并且降解时间是可以被环境接受的。因此，由这种可生物降解材料制成的一次性口罩可以在保护我们的健康的同时解决新冠肺炎疫情期间一次性口罩使用和生产增加所带来的一些环境问题。然而，即使PLA在理论上可以100%降解，但在一些实际研究中发现不能完全降解。因此，PLA口罩在处置后释放环境中微塑料的能力以及在各种环境中的实际降解过程仍然不清楚。

在本研究中，我们模拟了新型PLA口罩的降解过程，这些口罩被浸泡处理在弱碱性水体、水产养殖水体、海洋和强氧化剂中，并通过SEM和FTIR检测了PLA织物层的降解过程。我们通过体视显微镜观察了新型PLA口罩释放MP纤维的能力，并通过机械强度测试和水接触角测试研究了PLA口罩物理性能的变化。最后，我们通过黑麦草的土壤培养实验，探讨了不同环境降解的PLA口罩对植物生长的影响。

1. PLA口罩的降解主要是由于酯键断裂。

2. PLA口罩比常用的商品口罩释放的微塑料更少。

3. PLA口罩在人工养殖水中的降解程度较高。

4. PLA掩模的降解导致脆弱性和亲水性增强。

5. PLA纤维织物的老化后抑制了冬季黑麦草的活性。

图1. 在不同条件下浸泡和降解4周后PLA口罩的内层、中层和外层的SEM成像。（a、f、k）三层原材料口罩。（b，g，l）在弱碱性环境中浸泡四周后的三层纤维织物。（c，h，m）海水组图像。（d，i，n）池塘养殖水组的图像。（e，j，o）芬顿组的图像。

图2.4周后每组三层纤维织物的红外光谱和PLA掩模水解过程的红外光谱图。A） 外层红外光谱。B） 中层红外光谱。C） 内层红外光谱。D） 分离的面罩碎片和原始面罩的红外光谱。E） 浸泡溶液和原始掩模的红外光谱。F） PLA面罩的视觉降解过程。

图3. 在不同条件下浸泡和降解4周后，掩模的内层、中层和外层的水接触角。（a，f，k）原始面罩组的三层织物。（b，g，l）弱碱性水环境。（c，h，m）海水组。（d，i，n）池塘水产养殖水组。（e，j，o）芬顿试剂环境。

图4. 浸泡和老化后PLA纤维层的机械拉伸强度和表面条件的变化。A） 不同组样品的机械强度。B） 在体视显微镜下观察纤维层的表面状态。

图5.显微镜下纤维微塑料的形态和类型。A） 纤维微塑料的红外光谱图。B） 在不同放大倍数下用体视显微镜观察微塑料的形态。C） 在加工过程中，彩色微塑料混合在新的PLA掩模织物层中。

图6.各组微塑料的粒度、数量和颜色百分比。A、B、C、D）各组面罩上附着的微塑料的特征。E、F、G、H）各组微塑料在溶液中分离的特征。 

图7.冬季黑麦草的生命活动和代谢能力。A） 每个种群的种子发芽率和收获率。B） 在14个记录周期内，每个种群的芽长高度。C） 有数据记录的死亡种子数量。D） 收获时每个种群的平均叶绿素a和叶绿素b含量。E） 每个种群收获时的平均含水量。F） 每个种群收获时土壤的pH值。

在本研究中，我们模拟了新型PLA掩模在不同环境中的降解过程。结果表明，PLA口罩可以通过酯键水解在不同的水环境中降解。降解导致PLA层表面不同程度的侵蚀和损坏，纺粘层和熔喷层的机械强度下降，表面变得更亲水，最终导致纤维断裂和MP的释放。PLA口罩在4周内持续释放微塑料到溶液中，颗粒大小为20~500μm。然而，与广泛生产和应用的不可降解塑料外科口罩相比，新型PLA口罩在降解过程中释放到环境中的MPs更少。我们认为，这是因为纤维织物层降解后释放的一些PLA纤维已经发生水解并减少，降解能够在环境可接受的时间内完成。这是PLA口罩的一个巨大优势，毫无疑问，它们更环保，能够解决新冠肺炎疫情期间口罩使用和生产迅速增加所造成的环境问题。然而，PLA口罩在环境中的处理阻碍了冬季黑麦草的生长。因此，有必要完善一次性医用口罩的回收管理体系，以及研究更环保的可生物降解口罩来解决这些问题。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.130889

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