南开大学汪磊课题组：蚯蚓摄食聚乳酸(PLA)，更易分解但排泄缓慢

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来源： 

南开大学

Environmental Advances

第一作者：汪磊 教授（南开大学）

通讯作者：汪磊 教授（南开大学）

图文摘要

一、PLA材料简介

PLA是聚乳酸的英文简称，英文全称是Polylactic Acid 或 Polylactide，是 α-羟基丙酸缩合的产物，属于热塑性脂肪族聚酯的一种。

图 聚乳酸结构式

PLA的出现，最早是1932年由杜邦（Dupont）的科学家Wallace Carothers在真空中将乳酸进行直接缩合所得，由于产生的聚合物分子量低，同时生产成本过高，当时未能实现商业化生产。

直到1987年食品公司Cargill开始投资研发新的聚乳酸制造过程，Cargill 于2001年与陶氏（Dow）合资成立NatureWorks，进行商业化生产聚乳酸，PLA才正式大量进入我们生活中的方方面面。

  图 PLA颗粒，海正生物

二、PLA材料合成工艺

1、PLA的单体原料制备

PLA的单体原料是乳酸，它一般是将玉米等壳类作物碾碎后，从中提取淀粉，然后将淀粉制成未精化的葡萄糖。接着通过类似生产啤酒或酒精的方式来发酵葡萄糖，最终经过提纯工艺得到乳酸单体。

图 PLA纤维制备全流程，源自网络

2、PLA的聚合方法

PLA的合成主要有两种方法，分别是乳酸直接缩聚法和丙交酯开环聚合法（又叫二步法）。其中二步法最为常用，其过程是首先将乳酸进行减压蒸馏制得丙交酯（LA），再以丙交酯为单体，在引发剂、高温、高真空度的条件下反应数小时制得PLA。

图 直接缩聚法，源自高分子材料改性和防老化技术咨询

图 二步法，源自高分子材料改性和防老化技术咨询

三、PLA材料性能及加工工艺

PLA是浅黄色透明固体，热稳定性好，加工温度170～230℃，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。

图 3D打印PLA单丝，乐天

全文速览

近日，南开大学汪磊教授课题组在环境领域著名学术期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Earthworm's degradable bioplastic diet of polylactic acid: easy to break down and slow to excrete”的研究论文。可生物降解塑料应用日趋广泛，但与非生物可降解塑料相比，其对陆地生态系统的风险有待认识。

本研究以蚯蚓对不同类型微塑料的趋近回避行为入手，发现在石油基塑料、生物基塑料、半合成塑料等不同类型微塑料聚合物中，蚯蚓会主动趋近和摄食石油基聚合物——聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和生物基聚合物——聚乳酸（PLA）。

尽管两种微塑料聚合物都能被蚯蚓分解成更小颗粒并排出体外，但在蚯蚓粪便中，PET多以微米级的形式存在，而PLA更易在蚯蚓消化道内破碎分解，并以亚微米级和纳米级颗粒的形式排泄。蚯蚓对PET和PLA的排泄清除半衰期分别为 9.3 小时和 45 小时。

引言

微塑料作为一类新型环境污染物，在土壤环境中被普遍被检测到，并被认为对土壤动物具有潜在影响。生物可降解塑料聚合物，特别是那些以生物质为原料的生物可降解塑料，因其可减少化石资源的使用且在特定条件下可发生生物降解，近年来产用量迅速增加。

然而，这些可降解塑料聚合物在土壤环境中仍具有较长的半衰期，其对土壤生态系统的风险有待评估。蚯蚓作为重要的土壤动物，其非可降解的误食行为和体内破碎分解能力已被报道。

本研究选择典型的生物基可生物降解塑料——PLA为对象，通过研究蚯蚓对其趋避与摄食行为，以及分解和排泄能力，解析了蚯蚓对不同微塑料聚合物的行为学差异，定量描述了微塑料的排泄动力学及在蚓粪中的粒径分布特征。研究可为评估微塑料污染对于土壤生态系统的风险提供科学依据。

图文导读

蚯蚓对不同类型微塑料的趋近回避行为

图1. 在四室装置（右图）中，蚯蚓在饥饿（A1和A2）和饱腹（B1和B2）状态下，对不同微塑料聚合物的趋近/回避行为。接近指数Approachindex >0表示趋近行为，反之表示回避行为。

蚯蚓在饥饿状态下对PET和PLA微塑料表现出明显的接近性，这可能归因于其功能单体的特殊气味。将蚯蚓暴露于PET和PLA聚合物单体时，也表现出同样的趋近行为。在饥饿状态下，蚯蚓对PET和PLA的趋向行为明显强于饱腹状态。

蚯蚓粪便中PET和PLA微塑料的质量浓度

图2. 排泄期内蚯蚓粪便中不同粒径的PET（A）和PLA（B）微塑料的浓度（μg/g）。

亚微米和纳米塑料很难通过显微镜识别，但可以用LC-MS/MS定量。通过分级过滤法将蚯蚓粪便中微塑料分为3个粒级，即> 0.8 μm（微米级）、0.1－0.8 μm（亚微米级）和20－100 nm（纳米级）。

在10天排泄期内，蚓粪中微米级PET浓度（260 μg/g）远高于亚微米（3.71 μg/g）和纳米PET（5.78 μg/g）（图2A）；但亚微米PLA的浓度（192 μg/g）明显高于微米级PLA（139 μg/g）（图2B），纳米级PLA也可检出（14.3 μg/g）。

与非可生物降解的PET相比，PLA塑料更易于在蚯蚓消化道内破碎分解成亚微米和纳米塑料，这可能与消化道内的微生物和酶的作用有关。

蚯蚓对微塑料的消除动力学

图3. 蚯蚓对PET和PLA的消除动力学的拟合曲线。

蚯蚓对PET和PLA的排泄动力学可用一级动力学描述，PET和PLA在蚯蚓体内的消除半衰期分别为9.3 h和45 h。PLA更易于在蚯蚓消化道内分解成小颗粒。这些小颗粒会被消化道内壁褶皱滞留，可能是其排泄更为缓慢的原因。

小结

蚯蚓对某些塑料聚合物表现出明显的摄食偏好，因此显然不宜于对不同类型微塑料进行“同质化”的风险评估。在蚯蚓体内，PLA聚合物比PET 微塑料更容易破碎分解，这将导致更多的亚微米和纳米聚合物颗粒排放到土壤环境中，其生态风险需要进一步评估。PLA的体内分解可能与消化道中微生物和酶的作用有关。PLA是否能被高效分解为功能单体——乳酸，是否能作为一种肠道微生物碳源，甚至成为一种蚯蚓“饲料”，也值得进一步研究。

作者介绍

汪磊教授（右4）课题组，右2为本文第二作者彭雅雯

汪磊：博士生导师，南开大学环境科学与工程学院。南开大学环境科学系主任，环境过程与基准教育部重点实验室副主任。主要研究领域为新污染物的环境行为与环境暴露。获得国家优秀青年科学基金和天津市杰出青年基金。担任Eco-Environment & Health副主编、Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology亚洲副主编。

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.1c08066

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