GB/T 22047-2008土壤中塑料材料最终需氧生物分解能力的测定 采用测定密闭呼吸计中需氧量或测定释放的二氧化碳的方法

ICS83.080.01
中华人民共和国国家标准
GB/T22047—2008/ISO17556:2003土中塑料材料最终需氧生物分解能力的测定采用测定密闭呼吸计中需氧量或测定释放的二氧化碳的方法Plastics-Determination of the ultimate aerobic biodegradability in soil bymeasuring the oxygen demand in a respirometer or theamount of carbon dioxide evolved（ISO175562003，IDT）
2008-06-18发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
2009-05-01实施
GB/T22047—2008/IS0175562003本标准等同采用ISO17556：2003《土壤中塑料材料最终需氧生物分解能力的测定通过测定密闭呼吸计中需氧量或测定释放的二氧化碳的方法》（英文版），技术性内容完全相同，仅作如下编辑性修改：——“本国际标准”一词改为“本标准”；一用小数点“”代替作为小数点的逗号“，”；删除了国际标准前言。
本标准的附录A、附录B、附录C、附录D和附录E为资料性附录。本标准由中国轻工业联合会提出。本标准由全国塑料制品标准化技术委员会归口。本标准负责起草单位：轻工业塑料加工应用研究所。本标准参加起草单位：内蒙古蒙西高新技术集团有限责任公司、浙江华发生态科技有限公司、深圳市中京科林环保塑料技术有限公司、福建百事达生物材料有限公司、武汉华丽环保科技有限公司、巴斯夫（中国）有限公司、宁波天安生物材料有限公司、天津思态利降解塑料有限公司、深圳市禾田一环保科技有限公司、福建泛亚科技发展有限公司、国家塑料制品质量监督检验中心（北京）、四川大学。本标准主要起草人：翁云宣、张先炳、张英、王世和、沈华峰、沈莉萍、向辉、陈学军、贾伟生、马洪章、叶新建、李字义、王玉忠、毛国玉、孔力、丁少忠、余润保、刘彩霞。GB/T22047-2008/IS017556:2003引言
塑料随着使用量的增加，回收和处理已变成一个热点。而回收利用应作为优先选择，但塑料要完全回收利用是困难的，例如消费者随意抛弃的塑料垃圾，另外，如一些难回收的塑料如渔具、农业地膜和水溶性的聚合物等，这些材料被遗弃到环境中。采用可生物分解材料是解决这类环境问题的有效途径之一。一些规定在水性培养液/堆肥条件下塑料材料最终需氧/厌氧生物分解能力的测定的国际和国家标准已经颁布，因此制定这些材料在土壤中最终需氧生物分解能力的测定方法是非常重要的。GB/T22047—2008/ISO17556:2003土壤中塑料材料最终需氧生物分解能力的测定采用测定密闭呼吸计中需氧量或测定释放的二氧化碳的方法警告：废水、活性污泥、土壤和堆肥中可能含有潜在致病菌，因此，处理时应采取适当的防护措施。处理毒性试验化合物或性质未知的化合物时须特别小心。1范围
本标准规定了通过测定密闭呼吸计中需氧量或测定释放的二氧化碳量的方法，测定土壤中塑料材料最终需氧生物分解能力。本标准通过调整试验土壤的湿度以获得生物分解率的最佳程度。如果采用未经预曝置的土壤作为接种物时，本试验仅模拟在自然土壤环境中的生物分解过程；如果使用预腰置的土壤时，本标准可用来测定试验材料潜在的生物分解性能。本标准适用于以下材料：
—一天然和（或）合成聚合物、共聚物或它们的混合物；含有如增塑剂、颜料或其他化合物等添加剂的塑料材料；一水溶性聚合物；
一在试验条件下，不会对土壤中的微生物的活性产生抑制作用的材料，抑制作用可应用抑制控制或其他适当方法（见ISO8192：1986)来测得。如果试验材料对土壤中的微生物的活性有抑制作用时，可采用较低浓度的试验材料、其他接种物或已预曝置的土壤。2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。ISO8192：1986水质活性污泥耗氧抑制作用的试验ISO10381-6：1993土壤质量采样第6部分：实验室里需氧生物过程用土壤的收集、处理和贴藏技术指导
ISO10390：1994土壤质量pH值的测定ISO10634：1995水质用于连续测定难溶于水的有机化合物在水性培养液中生物分解能力培养液的配制与处理的技术指导
ISO10694：1995
5土壤质量干烧后总有机碳的测定（元素分析法）ISO11266：1994
土壤质量需氧条件下土壤中有机化学物生物分解实验室试验技术指导ISO11274:1998
土壤质量水保持力特性的测定实验室方法ASTMD5988—1996堆肥后塑料残余物在土壤中需氧生物分解能力测定方法3术语和定义
下列术语和定义适用于本标准。3.1
最终需氧生物分解ultimateaerobicbiodegradation在有氧条件下，有机化合物被微生物分解为二氧化碳（CO,）、水（H2O）及其所含元素的矿化无机盐GB/T22047-—2008/IS017556:2003以及新的生物质。
生化需氧量biochemicaloxygendemand，BOD在特定条件下，试验材料在水中由于需氧生物氧化作用所消耗的溶解氧的质量浓度，以每毫克或克试验材料吸收氧气的毫克数表示（mg吸收氧气/mg或g试验材料）。3.3
溶解有机碳dissolvedorganiccarbon，DOC溶解在水中、无法以特别相分离方法（如40000ms-离心分离15min或孔径0.2μm~0.45μm过滤膜过滤）而分离的有机碳。3.4
理论需氧量theoreticaloxygendemand，ThOD将试验材料完全氧化所需氧气的理论最大值，可由分子式计算得到，以每毫克或克试验材料吸收氧气的毫克数表示（mg吸收氧气/mg或g试验材料）。3.5
二氧化碳理论释放量theoreticalamountofevolvedcarbondioxide，ThCOz试验材料完全氧化时所能生成的二氧化碳理论最大值，可由分子式计算得到，以每克或每毫克试验材料释放出的二氧化碳的毫克数表示（mgCOz/g或mg试验材料）。3.6
迟滞阶段lagphase
从试验开始一直到微生物适应（或选定了）分解物，并且试验材料的生物分解程度已经增加至最大生物分解率10%时所需要的天数。3.7
生物分解阶段biodegradationphase从迟滞阶段结束至达到最大生物分解率的90%时所带的天数。3.8
最大生物分解率maximumlevelofbiodegradation试验中，试验材料不再发生生物分解时的生物分解程度，以百分率表示。3.9
平稳阶段plateauphase
从生物分解阶段结束至试验结束时所需的天数。3.10
前处理pre-conditioning
在与试验条件相同情况下，在没有化学组分或有机物质存在下，对土壤预培育，目的是使微生物适应试验条件以提高试验效果。
预隔置pre-exposure
在与试验条件相同情况下，在有化学组分或有机物质存在下，对土壤预培育，目的是通过适应和/或选择微生物来增强土壤对试验材料的生物分解能力。3.12
湿含量
watercontent
土壤在105℃干燥至恒重时所有挥发的水分质量除以干土壤质量（即土壤样品中水分质量和土壤颗粒的比率）。
水保持能力water-holdingcapacityGB/T22047—2008/ISO17556:2003水饱和土壤在105C于燥至恒重时所有挥发的水分质量除以干土壤质量。4原理
本方法通过调整土壤的湿度以获得在试验土壤中塑料材料生物分解率的最佳程度。将塑料材料作为唯一的碳和能量来源与土壤混合。将混合物放在细颈瓶中，测定需氧量（BOD)或释放的二氧化碳量。例如，测定生化需氧量（BOD)，可通过测量在呼吸计内烧瓶中维持一个恒定体积气体所需氧的体积或自动地或人工地测量体积或压强的变化（或两者兼测），合适的呼吸计示例参见附录A。又例如测定释放的二氧化碳，可将无二氧化碳空气通过土壤，再测定试验材料生物分解期间释放二氧化碳量。以上两个方法示例参见附录B和附录C。生物分解率通过生化需氧量（BOD)和理论需氧量（ThOD)的比或用释放的二氧化碳量和二氧化碳理论释放量（ThCO，）的比来求得，结果用百分率表示。在测定BOD过程中，应考虑可能发生的硝化作用的影响。当生物分解率恒定时或试验时间已经6个月后可终止试验。与ISO11266：1994不同的是，ISO11266：1994主要测定各种有机组分，而本标准主要测定材料的生物分解能力。
5试验环境
培养应在黑暗或弱光密闭空间中进行，该空间应没有抑制微生物繁殖的蒸汽，并保持恒温20℃～25℃，或根据使用的培养基和被评估的环境选择其他合适的温度。6材料
6.1蒸馏水或去离子水
不含毒性物质，溶解有机碳含量(DOC)≤2mg/L。6.2二氧化碳吸收剂
碱石灰颗粒或其他适宜的吸收剂。7仪器
所有的器血应清洁干净，不能附着任何有机物或毒性物质。7.1密闭呼吸计
装有搅拌器和其他必需配备的试验容器（玻璃烧瓶），并放置在恒温箱或者自动调温装置（如水浴）中,示例参见附录A。
注：能准确测定生化需氧盘的任何呼吸计均可使用。7.2测定释放的二氧化碳量的仪器7.2.1试验烧瓶
玻璃容器（例如玻璃烧瓶），可通人气体、摇动或搅拌，而且连接管路不能泄漏出二氧化碳。试验装置应放在恒温箱内或在恒温装置(例如水浴)中。7.2.2不含二氧化碳的空气供气系统能够提供流量一定的不含二氧化碳的空气至每个试验烧瓶中，并能保持恒定流速且偏差在土10%范围内（参见附录B），但ASTMD5988—1996中规定的培养仪器也可适用。7.2.3测定二氧化碳的分析仪器
用于直接测定二氧化碳，或者用碱性溶液完全吸收后再通过测定溶解无机碳（DIC）来计算二氧化碳量（参见附录C）。如果用连续红外分析仪或气相色谱仪直接测量排放气中的二氧化碳量，需要精确3
GB/T22047-—2008/IS017556：2003控制并测量空气流量。
7.3分析天平
8程序
8.1试验材料
试验材料应已知质量且含有足量的碳，产生的生化需氧量（BOD)能被使用的呼吸计检测到。由化学分子式计算或由元素分析仪测定总有机碳（TOC），并计算理论需氧量（ThOD）和二氧化碳理论释放量(ThCOa)(参见附录C和附录D)。注1：虽然用元素分析仪在测定分子量较高的物质时要比测定分子量较低物质精确度要低，但这个精度用于计算理论需氧量（THOD)或理论二氧化碳释放量（ThCO,）时是可以接受的。试验材料的质量，应使其降解时氧气消耗量或释放二氧化碳量在仪器测量量程内，通常100g～300g的土壤加入100mg300mg的试验材料即可以满足要求。试验材料最大量应受供给试验的氧气量的限制，除土壤包含了极大数量的有机物质情况外，一般200g土壤投置200mg的试验材料。注2：为了减少在空白烧瓶中土壤呼吸作用产生的影响，必要的时候，可以对试验材料预曝气或添加情性材料。试验材料一般采用粉料的形态，但也可以采用膜、碎片的形态或成形的物品。试验表明，生物分解的最终程度同试验材料的形态和形状几乎无关。但生物分解的速度，与试验材料的形态和形状相关。所以，如果不同的塑料材料在相同试验周期内进行比较时，试验材料应采用相同的形状和形态。如果试验材料是粉状的形态，那么应使用粒径分布已知的微粒，建议最大粒径为250μm。如果试验材料不是粉状形态，每块试验材料的尺寸不能大于5mm×5mm。试验设备尺寸应与试验材料的形态相适应。要保证不会由于试验仪器的设计而出现明显的仪器偏差。试样的制作过程(例如混合物加工成粉末)应不会明显地影响材料的降解行为。可以选择性测定试验材料的氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）和硫（S）的含量及其分子质量。试验材料最好不含添加剂，如增塑剂。如果试验材料中确实含有此类添加剂时，在评估聚合材料本身的生物分解能力时，也需要有关添加剂的生物分解能力的资料。有关处理难溶于水的化合物的详情，见ISO10634：1995。8.2参比材料
使用已知可生物分解聚合物（如微结晶纤维素粉末，无灰纤维素滤纸或聚β羟基丁酸酯）作为正控制参比材料，总有机碳含量(TOC)、形状和尺寸都尽量和试验材料相同。可选用与试验材料相同形状的不可生物分解的聚合物（如聚乙烯）作为负控制参比材料。8.3试验土壤的准备
8.3.1土壤的收集和过筛
所用的天然土壤从田地和/或森林的土壤表层收集，或已经预曝置的土壤。过筛土壤以获得尺寸小于2mm的微粒，并去除明显的植物材料、石头和其他情性材料。注1：尽可能去除有机固体如秸秆，因为这些材料会在试验期间发生分解。注2；土壤可以预处理，但不能使用已经预曝置的土境，特别是在模拟自然环境下生物分解行为的时候，更不能使用预噪置土壤。但出于一般试验目的而使用了预曝暨的土壤，则应在试验报告中加以明确说明（例如生物分解百分率一工%，使用预置土壤），同时在试验报告中详细地说明预曝置的方法。预置的土壤可通过在不同的条件下在实验室进行适宜的生物分解试验来获得，也可从环境条件相近的场所（例如被污染的场所或工业废弃物处理场)中收集得到。
记录采样的场所、位置、植物或先前的作物的比例、采样时间、采样深度，如果可能，记录土壤在种植过程中的肥料和杀虫剂的使用情况。8.3.2土壤特性的测量
按下列标准测定土壤特性：
按ISO11274:1998测定总的水保持能力；按ISO10390：1994测定土壤的pH值；按ISO10694：1995测定有机物质的含量。8.3.3土壤湿含量和pH值的调节
GB/T22047—2008/IS017556：2003通过向土壤添加适当数量的水，或在添加适当数量水后将土壤暴露于遮光的地方晾干，调节土壤的湿含量至适合试验的值。调节土壤的pH值至6.0～8.0。注1：试验土壤的最佳湿含量取决于试验材料，通常在总的水保持能力的40%～60%之间。注2：为保证良好的生物分解过程，试验材料或参比材料的有机碳和土壤的氮的比例（C：N比）建议调节到至少40：1，这可以通过添加氮来实现，如氧化铵水溶液等。8.3.4
土壤的处理和贮藏
在试验前将土壤贮藏在4℃士2℃的保温容器中。避免对土壤有任何抑制微生物活性的处理。用ISO10381-6：1993来确认土壤的活性不受采样的影响。8.4试验步骤
准备下列数量的烧瓶（试验瓶）：a）两个盛装试验材料的烧瓶（F+)；两个用于空白试验烧瓶（Fg）；b)
c）两个使用参比材料用于检测土壤活性的烧瓶（Fc）；另外，如果需要时：
d）一个用于检查可能出现的非生物分解作用或非微生物变化作用如水解的烧瓶（Fs）；e）一个用于检查试验材料对微生物活性可能的抑制作用的烧瓶(F,)。在每个烧瓶的底部投放100g300g之间的土壤（见8.3），厚度不能大于3cm，按表1所示，添加试验材料（见8.1)或参比材料（见8.2)到土壤中。记录包含试验混合物的每个烧瓶质量。试验材料和参比材料的最后分配表表1
土壤活性检测
土壤活性检测
非生物分解检测瓶（可选项）
抑制控制瓶（可选项）
试验材料
参比材料
培养基
注1：试验材料应均匀地与土壤混合，如试验材料为粉末时，尽可能将其分散到土壤中如试验材料是膜时，应尽可能使试验材料与土壤接触。也可以用刮刀刮抹试样表面以增加试验材料和土壤中微生物之间的接触。注2：试验材料、空白试验和土壤活性检查的每三个检测瓶也可用两个检测瓶。把烧瓶放在恒定温度的试验环境中，连接密封试验瓶，把它们放人呼吸计中，开动搅拌器。连接好呼吸计或不含二氧化碳的空气供给系统，开始培养。如果是测量氧气的消耗量，记录仪表上必要的读数（如手动情况下），并检查耗氧记录仪是否运行正常（自动呼吸计)（参见附录A)。如果是测量释放出的二氧化碳，按照释放出的二氧化碳速率、二氧化碳量，在一定间隔时间内，使用合适的、足够精确的方法（参见附录B和附录C)测定从每个烧瓶放出的二氧化碳的量。如果在试验期间因土壤干燥而使生物分解速率变慢，则应停止测量，从呼吸计或不含二氧化碳供给5
GB/T22047-—2008/ISO17556:2003体系中移走烧瓶。称量烧瓶，往土壤添加适量的水以使其湿含量达到初始值。重新连接烧瓶至体系中，测量氧气消耗量或二氧化碳释放量。这些操作应不会抑制土壤微生物的活性和不会影响氧气消耗量或二氧化碳释放量的测量，并在试验报告中加以明确的说明。当测得的BOD值或释放的二氧化碳量达到稳定程度（达到平稳阶段），且预计无更进一步的生物分解时，可认为试验已经结束。试验周期最长为6个月。如果试验需要延长，应定期检测系统的密封性，确保系统无泄漏。
试验结束时，移开烧瓶并对它们称量以检查试验土壤减少的湿含量。如需要时，残余的试验材料可用合适的溶剂从土壤中提取，并进行称量。9计算与结果的表示
9.1计算
9.1.1由氧气消耗量计算生物分解百分率使用适当的呼吸计，依照仪器指示的使用方法读取每个烧瓶氧气的消耗量。按式（1)计算单位试验材料的生化需氧量（BODs）。BODs=BOD,--BOD
式中：
（1）
BODs—单位试验材料的BOD值，以每克试验材料的毫克数表示，单位为毫克每克试验材料(mg/g）;
-在时间t时包含试验材料的烧瓶F的BOD值，单位为毫克每克试验土壤（mg/g）；BOD,
BOD——在时间t时空白Fs的BOD值，单位为毫克每克试验土壤（mg/g）；Pr*—烧瓶Fr的反应混合物中试验材料的浓度，单位为毫克每克试验土壤（mg/g）。按式(2)计算生物分解百分率D.。BODs
（2）
以相同方式计算参比材料烧瓶Fc的BOD值和生物分解百分率，再计算非生物分解校正值烧瓶Fs、抑制控制烧瓶F，的BOD值和生物分解百分率。ThOD的求法参见附录A。9.1.2由释放出的二氧化碳（CO,）量计算生物分解百分率9.1.2.1试验材料的二氧化碳理论释放量按式（3)计算二氧化碳理论释放量（ThCO,），单位为毫克（mg）。ThCO,=mXwc×
式中：
试验材料的质量，单位为毫克（mg）；m
c一一试验材料中的含碳量，由化学分子式决定或由元素分析计算而得，用%表示；44和12一一分别表示二氧化碳的分子质量和碳的原子量。.（3）
用同样的方法计算参比材料以及试验瓶F，中试验材料与参比材料混合物的二氧化碳理论释放量。9.1.2.2生物分解百分率
按式(4)计算试验瓶F的每个测量间隔的生物分解百分率D,（%)：D, = 2(m)2(m)×100
式中：
（m）r—一从试验开始到t时间内从Fr瓶释放出的二氧化碳量，单位为毫克（mg）；6
（4）
GB/T22047--2008/ISO17556:2003Z（m）s一一从试验开始到t时间内从空白瓶Fs中释放出的二氧化碳量，单位为毫克（mg）：ThCOz—-试验材料的二氧化碳理论释放量，单位为毫克（mg)。用同样的方法计算土壤活性检测瓶Fc中参比材料的生物分解百分率。9.2结果的表达与解释
将每个烧瓶各个测定周期的BOD值或二氧化碳量和生物分解百分率编辑成表。对每个烧瓶，以时间为横坐标对BOD或二氧化碳释放量和生物分解百分率作曲线图。对双倍的烧瓶如要获得比较结果，可作出平均值生物分解曲线。
由生物分解曲线平稳阶段的平均值或最高值求得生物分解率的最大值来表征试验材料生物分解程度。
试验材料的吸湿性和形状可能会对试验结果产生影响，因此试验尽可能选用相似结构的塑料材料来进行比较。
有关试验材料毒性方面数据有助于解释生物分解试验结果偏低的原因。10结果的有效性
只有试验符合下列事项，才可认为有效：在平稳阶段或试验结束时，参比材料的生物分解百分率60%；在平稳阶段或试验结束时，两个空白试验烧瓶的BOD值或二氧化碳释放量的相对偏差不超过20%。
如果不能满足以上要求时，则使用另一预处理或预曝置的土壤来重复本试验。11试验报告
a）依据标准；
能说明此项试验和参比材料的所有资料，包括它们的有机碳含量（TOC）、化学组成、分子式b)
（如果已知）、理论需氧量（ThOD）、二氧化碳理论释放量（ThCO,）、形状、状态、数量及浓度、助剂含量（如果已知）；
所用土壤的全部信息，包括来源、采集时间、特征、试验中用的数量、贮藏条件、处理和任何预曝e)
置的细节；
主要试验条件，包括所用试验材料的数量、培养温度、培养周期；d)
所用的分析技术，包括呼吸计的原理和二氧化碳检测方法；执行的其他任何操作，包括试验中往试验混合物加水、试验结束时试验混合物的分析结果如湿f
含量：
试验材料和参比材料获得的所有试验结果（列表和图示），包括测得的累计BOD值或释放的g）
二氧化碳、生物分解百分率及这些参数相对于时间的各自曲线；迟滞阶段、生物分解阶段所用时间、达到最大生物分解百分率所用时间以及整个试验所用h)
时间；
如有可选项试验时，应增列下列内容：i）试验材料的残余数量或由试验材料残余质量计算得到的生物分解百分率；j）土壤中菌落种群数；
k）任何其他相关的资料（如样品的初始分子质量、残余聚合物的分子质量）。7
GB/T22047-—2008/ISO17556:2003附录A
（资料性附录）
气压式呼吸计原理
在温控环境（如水浴）下呼吸计放置如图A.1所示，包括有磁性搅拌棒的测试烧瓶和放置于顶部的吸收二氧化碳的容器，一个氧发生器，一个压力计，电磁搅拌器和一套内部监控设备和记录器（打印机、绘图仪或电脑）。试验烧瓶放置三分之一容器的试验混合物，连续搅拌确保氧在气相和液相中保持平衡，如果生物分解发生，微生物消耗氧气产生二氧化碳，二氧化碳被吸收器吸收，容器内的总压下降可由压力下降测得，并据此来应用电解补充氧气。当压力重新建立时，电解就停止，且所使用电量是正比于氧气消耗量，持续地测量，并在记录器上指示氧气消耗量。1——二氧化碳吸收器；
2—压强计，
3——打印机、绘图仪或电脑；
一氧气发生器：
5——恒温（水浴）；
监测器：
—测试瓶；
电磁搅拌器。
图A.1气压式呼吸计示意图
附录B
（资料性附录）
GB/T22047-2008/ISO17556:2003释放的二氧化碳量测定系统的测试原理（示例）试验烧瓶按图B.1所示顾序放置并通过输气管相连。在恒定低压下，通以流量在几个mL/min不含二氧化碳的空气。记下气泡数或使用合适的流量控制器来测定空气流量。在使用压缩空气时，将空气通过盛有干燥的碱石灰的瓶子或至少两个碱液洗瓶（例如：盛有500mL浓度为10mol/L的KOH溶液），以除去二氧化碳。另外用一个烧瓶盛放100mL浓度为0.0125mol/L的Ba(OH)溶液，通过浑浊度来判定空气中是否混有二氧化碳。可在指示剂瓶与下一连接瓶之间接人一个增湿瓶来增湿空气以试验土壤水分的挥发，这可以使空气通过恒定湿度的溶液如饱和磷酸钠水溶液来实现。如果生物分解发生，试验烧瓶中就会产生二氧化碳。产生的二氧化碳随即被连接在其后的吸收瓶吸收，测定方法参见附录C。
调节进气口空气的流速来保持试验土壤的湿度和需氧的条件。1——空气进人，
2流盘控制器；
3——二氧化碳吸收瓶：
4-增湿器；
5——试验容器：
6—二氧化碳收集瓶（例如两个盛有强碱的洗瓶）。图B.1释放的二氧化碳量测定系统示意图