华北电力大学科研团队提出一种黑曲霉菌无害化降解废旧电缆聚乙烯新方法

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近年来，随着电缆批量退役，聚乙烯等有机固体废物堆积，对城市环境造成潜在威胁。华北电力大学（保定）高压教研室杨世芳团队采用真菌对电缆绝缘材料聚乙烯进行降解，通过对降解样品的分子结构分析，热稳定性能测试，微观形貌观测，提出一种合理的降解路径。

研究背景

我国废弃电缆中的金属材料回收率可达到95%，而经粉碎重塑和改性再生回收的非金属电缆废料不足3%。据统计，我国每年产生的电缆废料不仅给环境带来了严重危害，同时也造成了资源的浪费。

目前广泛采用微生物降解塑料薄膜制品，而塑料薄膜与聚乙烯的化学结构类似，因此，有望通过微生物降解的方法解决废弃电缆的环保处置这一难题。

论文所解决的问题及意义

目前，国家已明令禁止采用焚烧方式处理电缆固体废料，但还没有行之有效的方法解决废旧电缆堆积的问题。因此，亟须一种无害化降解方法，解决废旧电缆的环保处理难题。微生物降解废旧电缆比传统的焚烧填埋更为清洁、经济，因此可以采用菌群降解手段实现废旧电缆环保处理。

论文方法及创新点

1、分子结构分析

图1 XPS光电子能谱C1s,O1s拟合曲线

通过傅里叶红外实验和X射线光电子能谱实验，分析了黑曲霉菌侵蚀样品后，样品中引入的新基团以及它们的变化情况。实验结果表明，样品中引入了羟基，羰基（—C＝O），醚类基团（C—O—C）并且随处理时间延长，羟基吸收峰的强度逐渐递增，羰基和（C—O—C）的伸缩振动强度也随时间增强。

此外，红外曲线C—H伸缩振动和变形振动对应的峰强降低。在X射线光电子能谱中，C—C拟合峰面积随作用时间呈递减趋势，基团C—O—C和（—C＝O）拟合峰面积呈递增趋势，表明黑曲霉菌攻击了聚乙烯样品原有的C—C键，与FTIR分析中出现新的含氧官能团相一致。

2、热稳定性能表征

图2 DSC熔融曲线与结晶曲线

利用热重分析和差示扫描量热分析测试了样品热稳定性能的变化。黑曲霉菌处理过14d的聚乙烯样品的TG曲线起始温度降低了200°C，热分解最终温度降低了10°C，且DTG曲线的峰值向左移动了10°C。在DSC实验中，样品的结晶峰峰值下降 0.42 mW/mg，样品的熔融曲线热流量降低了 0.54 mW/mg。实验表明表明样品的热分解温度降低，热稳定性变差。

3、微观形貌观测

图3 SEM微观形貌观测

黑曲霉菌在增殖阶段分泌的细胞外酶攻击了聚乙烯分子链，使其长分子链断裂成小分子链，用黑曲霉菌处理后的样品均出现了不同程度的裂痕，且数量和断裂的程度也随着时间的增加而增加，微观形貌出现明显的沟壑、孔隙和断裂现象，表明黑曲霉菌对LDPE具有降解能力，能破坏聚乙烯的微观结构。

图4 提出一种聚乙烯降解路径

聚乙烯的降解分为四个阶段：侵蚀、解聚、同化、矿化。

• 侵蚀阶段，微生物附着形成生物膜，降低样品疏水性，促进样品降解。

• 解聚阶段，断裂后的低聚合度聚乙烯首先在羟基化酶的作用下在链内、亚末端及末端三种位置形成羟基；接着通过醇脱氢酶和单加氧酶的作用形成酯类；再在酯酶的作用下分解为脂肪酸和脂肪醇；最后，脂肪醇在醇脱氢酶和醛脱氢酶的作用下进一步被氧化为脂肪酸，产生解聚阶段的最终产物。

• 同化阶段，解聚形成的低聚物通过细胞膜进细胞内参与氧化还原反应。

• 矿化阶段，在同化阶段中产生的一些代谢产物和未被同化的产物在矿化阶段中被完全吸收和利用，并进一步转化为能源、碳源、CO 2和水。

结论

本文使用黑曲霉菌处理聚乙烯，通过分子结构分析，热稳定性能表征，微观形貌观测等手段反应了黑曲霉菌对聚乙烯的降解效果。实验结果表明，黑曲霉菌对聚乙烯具有降解效果，因此可以将微生物推广到降解电缆固体废物中。

目前，生物降解仍在关键研究阶段，已发现多种微生物能够降解聚乙烯。但主要问题是降解速度慢，可以通过纯化菌种、培养合成微生物群落、研究聚乙烯降解酶等方式，提高微生物降解的效率，使微生物降解应用到电缆行业，为解决电缆有机固体废弃物闲置堆积提供一个绿色环保的方法。

团队介绍

华北电力大学（保定）高压教研室杨世芳团队长期致力于电网退役硅橡胶绝缘子的菌群无害化环保降解机制及定向调控、复合绝缘子芯棒热降解回收机理、废旧电缆绝缘材料无害化处理、基于红外测温技术的设备缺陷诊断方法、基于多维度数据的碳纤维复合芯导线间隙绝缘评估技术等研究。

• 杨世芳讲师，硕士生导师，研究高电压外绝缘生物染污问题、退役绝缘材料无害化处理等；

• 谢军副教授，硕士生导师，研究输变电装备绝缘材料劣化机理及其性能提升方法、数据-知识融合驱动下的输变电装备状态智能评估方法等；

• 杨晓磊硕士研究生，研究退役电缆聚乙烯组分生物降解机理。

本工作成果发表在2024年第1期《电工技术学报》，论文标题为“黑曲霉菌对废旧电缆聚乙烯降解效果及反应机理研究”。本课题得到国家自然科学基金、河北省自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。

引用本文

杨世芳, 杨晓磊, 谢军, 侯前朋, 刘云鹏. 黑曲霉菌对废旧电缆聚乙烯降解效果及反应机理研究[J]. 电工技术学报, 2024, 39(1): 76-87. Yang Shifang, Yang Xiaolei, Xie Jun, Hou Qianpeng, Liu Yunpeng. Degradation Effect and Degradation Mechanism of Aspergillus Niger on Polyethylene Components of Waste Cables. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(1): 76-87.

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