塑料制品在可持續發展中的前景
——可降解塑料的環境友好性

張 闖，柳乃奎，遲延娜，周圣雄

1 背景

隨著人口數量和人類活動范圍的不斷增加， 工農業生產規模不斷擴大，環境污染已經成為危害人類健康最重要的因素。特別是有機化工產品的使用和丟棄給環境帶來了越來越多的持久性有機污染物。這些污染物不僅會污染人類賴以生存的土壤，空氣，水質等，還具有致癌性、致突變和致畸變作用，對人類健康造成嚴重危害[1]。

傳統塑料材料是目前使用范圍較為廣泛的有機化工產品。它在給人類生活提供很多便利和好處的同時，由于其大量的使用同時也給全球帶來了嚴重的白色污染以及有機污染物污染，因此受到了全世界的廣泛關注。這些傳統的塑料制品如塑料包裝袋、塑料吸管、塑料餐具、塑料地膜等，使用后很難回收，且無法快速的降解從而污染環境[2]。在自然界中即使歷經很長的時間所崩解成的塑料粒子，進入環境，水體甚至人體富集，帶來大量塑料微粒子的污染和危害。

鑒于傳統塑料對環境所帶來的嚴重危害，全球進入了禁塑和限塑的高潮，各國紛紛制定了史上最嚴禁塑令。2019 年聯合國發布了關于“一次性塑料和微塑料的法律限制：國家法律和法規的全球審查”。該報告調查了全球192 個國家，其中127 個國家頒布了某種形式的國家法律法規限制一次性塑料和微塑料，65 個國家沒有關于一次性塑料和微塑料的限制[3]。這些法律、法規一方面提供禁令、征稅以及廢物管理措施以加強處置，另一方也同時鼓勵再利用和再循環，推廣各種新型材料來代替傳統塑料產品。

生物降解塑料和生物基塑料作為應對環境保護和人類健康問題的環境友好型塑料，備受大眾期待，是當前環境、材料領域或學術研究的重點，同時也是健康促進關注的熱點。

2 環境友好型塑料

所謂環境友好型塑料，一般認為包括由可再生資源生產的生物基塑料，也包括能在自然環境或特定條件下分解的生物降解塑料。

2.1 生物基塑料

生物基塑料是指從使用生物質替代石油為原料的角度出發，用來源于可再生碳源的高分子材料，例如由從天然植物中提取的成分如淀粉，纖維素、木質素等通過加工生成。

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條件下，或特定條件下如堆肥條件下或厭氧消化條件下或水性培養液中，由自然界存在的微生物作用引起降解，并最終完全降解變成二氧化碳（CO2）或/和甲烷（CH4）、水（H2O）及其所含元素的礦化無機鹽以及新的生物質的塑料[4]。

盡管生物基塑料和生物降解塑料在定義上有本質的差異，但生物降解塑料的環保屬性來源于材料的生物可降解性能，而與其原料來源是非可再生的石油資源還是可再生的生物資源無關。而生物基塑料不需要考慮是否可降解，因此并非所有的生物基塑料都是生物降解塑料[5]。

3 生物降解塑料的分類

生物降解塑料是一種重要的可降解塑料。理想的生物降解塑料在廢棄后可被環境微生物完全分解并最終生成二氧化碳、水等，從而進入自然生物圈的物質循環系統，不再對生態環境造成危害[6]。由于可以通過微生物很好的降解進而回歸自然，生物降解塑料備受各國政府、科研機構以及材料產業界的關注。許多性能優良的生物可降解材料被研發出來用于生活中的方方面面，包括食品和日化包裝、一次性日用品、農用地膜、建筑材料、生物醫療用品等領域[7]。

生物降解塑料按照原料和制備方法可以分為天然高分子降解塑料、微生物合成降解塑料以及化學合成降解塑料等[8]。天然高分子降解塑料是由天然物質制備而成，包括淀粉，蛋白質、纖維素等，原料來源豐富且價格低廉，極易被微生物利用。生物基塑料中一部分屬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種生物塑料，是微生物將某些有機物作為食物源，通過自身的生命運動形成高分子化合物。化學合成降解塑料的主要品種為脂肪族聚酯、脂肪-芳香共聚酯、脂肪族聚碳酸酯等，其分子鏈上的酯基結構在自然界中易被微生物或酶分解從而最終降解[9]。

4 生物降解塑料的評價體系

根據測試環境不同，目前常用的塑料生物降解性試驗方法有特定酶降解試驗法、土埋試驗法、活性污泥試驗法、堆肥試驗法4 種方式。根據英國皇家統計協會的一份報告，截至2017 年，僅9%的塑料被回收利用，而12%的塑料被焚化，其余的79%進入了垃圾填埋場和環境[10]。堆肥法是近年來興起的一種測定高分子材料生物降解性能的方法。由于能夠較為真實地模擬高聚物材料在自然條件下的降解情況，并且實驗設備相對簡單便宜，實驗結果也能夠令人滿意，因此，堆肥法成為國內外所普遍接受的一種試驗方法。以下總結了各國關于生物降解塑料的主要標準和評價體系。

4.1 歐盟

1994 年，歐盟發布了94/62/EC 歐盟包裝和包裝廢棄物指令，并進行了多次修訂，旨在協調各國有關包裝物和廢棄包裝物管理的措施：一方面是為了防止由此對各成員國和第三國環境產生任何影響。或減小這類影響，從而提供高水平環境保護；另一方面是為了確保內部市場的正常運行并且避免在歐洲共同體內產生貿易壁壘、不正當競爭和使競爭受到限制。指令規定這些管理措施的首要目的是防止產生廢棄包裝物，其次是作為附加的基本原則，對包裝物再使用、再循環和實現其他形式的廢棄包裝物回收以及由此減少對這類廢棄物的最終處理量。

94/62/EC 的基本要求里規定：對于以堆肥形式回收的包裝而言，用于堆肥處理的包裝廢物應具有可生物降解的性質，以免妨礙單獨收集以及其被引入到的堆肥過程或活動。對于可生物降解包裝而言，可生物降解的包裝廢物的性質應使其能夠進行物理、化學、熱或生物分解，以使大部分的最終堆肥分解為二氧化碳、生物質和水[11]。《EN 13432包裝通過堆肥和生物分解評定包裝可回收性的要求 試驗計劃和包裝最后驗收標準的評定》便是包裝物有機回收標準。符合EN 13432 就能符合94/62/EC 里的上述規定。

EN 13432 和EN 13428、EN 13429、EN 13430、EN 13431 其他4 個標準一起為符合94/62/EC 的所有基本要求提供了框架。EN 13427 是解釋上述5項標準之間關聯性的標準。

在上述的法規標準里，“包裝”是指由任何性質的任何材料制成的所有產品，用來容納、保護、搬運、交付和提供商品，其范圍從原材料到加工成的商品、從生產者到使用者或消費者。

EN 13432 從5 個方面對可堆肥包裝提出了要求，分別是品質特性、生物降解性、崩解及其過程中的效果、堆肥質量、可識別性[12]。

品質特性是指在分析檢驗各種包裝材料之前，至少要包括驗證材料成分的資料和鑒定、重金屬等有害物質存在的判定、用于生物降解和崩解檢驗的包裝材料中總干固體、揮發性固體和有機碳含量的測定值。

生物降解性是指通過檢測來證明包裝可以最終生物降解并符合EN 13432 里的判定要求，即在有氧堆肥條件下最長6 個月內必須90%以上最終轉化為二氧化碳、水和礦物質。

崩解則是指包裝在生活垃圾處理過程中崩解，并符合EN 13432 給出的判定要求，即在有氧堆肥條件下最長12 周內必須瓦解成90%以上可通過最大2 mm 篩網的碎片，另外在處理過程中不應出現任何不良效果。

堆肥質量是指進入生活垃圾處理的包裝不應對最終的堆肥有不良效果。最終的堆肥應符合歐盟或其成員國的堆肥要求，并且特選的植物在引入可堆肥降解材料的堆肥分解物質后達到90%以上的原有成活率和生物性狀。

可識別性是指預期投入生活垃圾的包裝應以最終用戶容易識別的方式標示“可堆肥”或“可生物降解”。

除了EN 13432 外，歐盟標準化委員會CEN 還發布了《EN 14995-2006 塑料.評定降解塑料可堆肥性.試驗方案和規范》。該標準對于可堆肥塑料的評價和EN 13432 一致[13]。

4.2 國際標準化組織（ISO）

國際化標準組織發布的《ISO 17088:2012 可堆肥塑料技術要求》建立了鑒別和標識塑料產品和材料的可堆肥性。達到要求的產品可以標記為“可堆肥”或“在市政或商業設施中可堆肥”或“堆肥過程中可生物分解”。ISO 從生物降解性、崩解、堆肥質量等方面來評估可堆肥性。ISO 還發布了一系列檢測方法來支持ISO 17088 的實施，例如《ISO 148551 受控堆肥條件下材料最終需氧生物分解和崩解能力的測定 采用測定釋放的二氧化碳的方法 第一部分：通用方法》《ISO 16929 在定義堆肥化中試條件下 塑料材料崩解程度的測定》等[14]。

4.3 中國

我國開展生物降解塑料標準化的研究相對較晚，前期主要是以國外的標準為藍本進行一定的修改或直接等效[7]。隨著國內對于可降解材料的研究，中國的可降解材料的標準體系也越發完善，不僅有針對部分材料的可降解評價標準及測試方法，還有一些地方標準和行業標準共同完善了我國可降解材料的法規體系。可參考表1 中整理的部分中國可降解材料的相關標準。除此之外，中國還有一些關于可降解材料的標準已經立項，正在積極的進行中，如2019 年7 月國家標準計劃《全生物降解飲用吸管》由TC 380（全國生物基材料及降解制品標準化技術委員會）歸口上報及執行，主管部門為國家標準化管理委員會。

表1 中國生物降解材料的相關標準

4.4 美國

美國材料與試驗協會（American Society for Testing and Materials，ASTM）是當前世界上最大的標準發展機構之一，是一個獨立的非盈利性機構。ASTM 在官方網站上發文，稱“從牙刷柄和計算機鑰匙到航空部件和醫療設備，塑料已成為現代生活中無處不在的一部分。不幸的是，一旦塑料失效了，會發生什么，已經成為當今時代的一個令人困擾的問題。根據《科學》雜志發表的一項研究，每年大約有八百萬公噸的塑料最終進入世界海洋”[10]。為了減輕這些問題，ASTM 成立了可降解塑料和生物基產品委員會（D 20.96），該委員會塑料委員會（D 20）的一部分。該小組開展了一系列工作，以建立生物降解性能評價標準及評估可降解材料的影響[10]。除了ASTM 外，美國從事生物降解塑料標準制定、推廣和技術發展工作的生物降解制品研究所（BPI）也參與了該小組的工作，共同制定了多個美國生物降解材料的標準。見表2。

表2 美國生物降解材料的相關標準

4.5 日本

日本生物分解塑料研究會（BPS）負責從事生物分解材料標準、推廣和技術發展工作。目前日本執行的可控堆肥降解塑料標準就是該機構制定的評價規范。相比EN 13432，BPS 的生物降解性能規定為：可控堆肥材料在有氧堆肥條件下必須60%轉化為二氧化碳、水、礦物質等，在生態毒理性能測試中，特選植物可達90%以上的成活率或蚯蚓達到90%的成活率[15]。

4.6 澳大利亞

澳大利亞標準委員會為了規范市場中的可控堆肥降解制定相關標準，其中AS 4736《生物降解塑料—適合堆肥化或者其他生物處理方式的生物降解塑料》在EN 13432 的基礎上，在生態毒性部分增加了蚯蚓的生態毒理檢測[15]。

綜上可見，生物降解材料作為一種新型的環境友好型材料，無論是從環境保護還是開發利用的角度，都符合可持續發展的戰略要求。隨著生物降解材料全球各國評價體系的完善以及研發力量的投入，其發展將有很好的應用前景。