利用天然海水接种物和闭环呼吸计进行材料的好氧生物降解测试

本研究利用天然海水接种物，量化自然材料在海洋环境中的有氧生物降解速率和降解程度，以实现数据间的可比性。目前实验面临的挑战包括测试能力有限，以及缺乏满足日益增长的生物降解测试需求的基础设施，同时需确保各实验室间方法的统一性和透明度。首先，使用大型Niskin采水器将10至20升海水收集至一个20升经酸清洗过的容器中。

将装满的塑料桶运回实验室。从塑料桶中转移一升全海水至一个经酸浸处理的、一升容量的琥珀色高密度聚乙烯（HDPE）瓶中，用于颗粒态碳和氮分析。使用0.2微米、低氮含量的醋酸纤维素膜对其进行过滤。

现在，用海水将一个一升、两升或四升的容量瓶装至半满。如果海水中的颗粒有机物含量较高，需通过20微米筛网过滤，以去除较大的不均一颗粒。然后，取60毫升滤液，收集到经酸浸处理的聚乙烯瓶中，用于溶解性无机氮、有机氮以及磷的分析。

松散地覆盖烧瓶口以保持有氧条件。在30摄氏度避光条件下储存，最长七天。接下来，将10至15克实验底物放入50毫升不锈钢研磨罐中。

使用一个20毫米的钢球。将研磨罐浸入液氮中15分钟以使其变脆。将研磨罐固定在球磨机的夹具上。

然后将仪器设置为30赫兹，运行时间为2分30秒，按下启动键。每个循环之间用液氮冷却30秒，共进行4次研磨。在开始测试前，将基质研磨至粒径均匀，介于0.10至0.25毫米之间。

使用精度为0.001克的精密天平，称取每升0.5克氯化铵和每升0.1克磷酸二氢钾。将无机营养物质加入锥形瓶中。用海水定容至刻度。

然后放入一个搅拌子，在搅拌器上搅拌，直至所有盐完全溶解。使用分析天平称取20毫克的实验组或对照组底物。记录完整的读数重量，并将小瓶置于一旁备用。

为准备反应器容器，使用经酸处理的75毫升刻度移液管，并配合电动移液控制器，吸取海水，向每个反应器容器中加入75毫升添加了营养物质的海水。从每个容器中取出约3毫升海水，然后将其放置在容器旁的洁净表面上，用于冲洗研磨后小瓶中的底物残渣。

现在将研磨后的底物从撕开的样品瓶转移至相应的反应釜容器中。在反应釜口部放置一个O形圈，然后将双端口盖置于O形圈上，并用螺纹盖固定。

将每个反应器容器连接到对应的气体或冷凝管路。将气体管路牢固地插入盖子上的相应进样口和出样口。将摇床平台调至连续模式，加速度设为 0.05G。

目视检查所有容器是否固定牢固，然后关闭培养箱门。在仪器软件中，进入“实验”页面并点击“设置”。从下拉菜单中输入已占用通道的起始和结束通道编号。

将刷新阈值设置为 0.50，刷新间隔设为 NA，刷新窗口设为自动。然后在杂项设置中勾选清除传感器选项。

确保未选中自动体积测量、氧气消耗正值以及启用开放气流模式。将采样间隔设置为 8.00，然后根据需要设置气体和时间单位。

如果使用主温度探针对孵育温度进行校正，请确保未选中“手动输入腔室温度”。勾选“通风模式”复选框，并确保未选中“排水模式”。然后，选择“腔室设置”并输入描述性通道标签。

如果发现泄漏，则需确保O形圈清洁、安装到位，且无颗粒或纤维污染。拧紧螺钉盖。检查进液口和出液口的管路连接。

使用锋利刀片修剪磨损或变形的管端，以获得整齐的切口。从菜单中选择“工具”，然后点击“服务菜单”，并确认主温度探头测量值为30摄氏度，允许±2摄氏度的波动，且读数稳定。点击“运行”以开始实验。

将实验文件另存为包含日期的描述性名称，并在数据表上记录文件名。84 天内的累积二氧化碳产量证实了预期性能。在 84 天内，纤维素在短暂迟滞后显示出快速的二氧化碳生成，产量达到约 700 微摩尔。

PHA在三天内的初始速率较慢。海水对照组保持在150微摩尔的低水平。各个阴性对照重复组显示出较低的变异性，所有曲线均紧密接近。

纤维素阳性对照组的重复实验显示出持续较低的变异性，表明在全部四个重复样本中性能稳定。在阴性结果数据集中，第五个重复样本出现了二氧化碳产生速率的异常峰值，可能是由于存在不稳定的有机物质所致，但其累积产量在100微摩尔时开始趋于平缓。第六组中的第一个重复样本的累积二氧化碳产量低于其他样本，提示可能存在技术问题。

阴性对照中平均累积二氧化碳产量的标准误为2.5%，表明重复样本间的变异性较低。纤维素阳性对照的标准误为0.83%，进一步证实了生物降解测定实验具有高度可重复性。PHA的矿化程度接近阳性对照，其标准误与对照组相当。

本方案旨在弥补工业界、学术界及监管机构在海洋环境中对材料生物降解性进行标准化筛查时缺乏便捷方法的空白。该方案提供了一种更快速的标准化方法，可直接测量材料的生物降解过程，并在同时评估多个样品时缩短测试周期。本方案支持高通量的标准化测试，实现不同材料和实验室之间的可比性，从而为材料性能的机器学习与预测建模提供数据基础。