7.1.3.1　棉纤维

棉纤维是现代纺织工业中最常用的纤维素纤维。纤维素则属于多糖类天然高分子化合物，是由葡萄糖环通过1-4甙键连接而成的大分子。棉纤维中纤维素大分子的聚合度为6000～15000。并且棉纤维中纤维素大分子的排列并不均匀，结晶度约为70%。在结晶区纤维素大分子排列比较整齐且密实，取向度较高。而在无定形区纤维素大分子排列紊乱且疏松。棉纤维的横截面主要由初生层、次生层和中腔组成。其中初生层是棉纤维的外层，它的外皮表面呈细丝状皱纹形态并附有蜡质与果胶等，决定了棉纤维的表面性质；次生层是棉纤维中主要由纤维素构成的部分，决定了棉纤维的主要力学性质；中腔是棉纤维生长停止后遗存的内部空隙。

棉纤维能够被自然界中的微生物（如细菌、放线菌和真菌）完全降解且降解周期相对较短。研究发现，在活性污泥分解实验中，棉纤维2天后就开始发生分解反应，10天后纤维结构遭到破坏并释放大量CO2气体，而20天后其质量和强度几乎全部丧失。目前关于纤维素纤维的降解机理一般解释为棉纤维首先被微生物的胞外酶（纤维素水解酶）水解成可溶性的葡萄糖，然后微生物吸收葡萄糖进入体内，通过好氧或厌氧反应进一步分解为水和CO2等无机化合物。其中棉纤维水解为葡萄糖的反应大多采用协同理论进行解释，通常认为是内切葡聚糖酶、外切葡聚糖纤维二糖水解酶和纤维二糖酶或β-葡萄糖苷酶共同作用的结果。近年来的研究证明，在自然土壤掩埋实验中，棉纤维被微生物降解并产生的CO2释放量随掩埋时间的延长而逐渐增加，在相同实验条件下，其降解速度与其他再生纤维素纤维（竹原纤维、莫代尔纤维和天丝纤维）并不存在显著差别（图7-1）。

图7-1　自然土壤环境中纤维素纤维生物降解性能比较

7.1.3.2　羊毛纤维(www.daowen.com)

羊毛纤维主要由含有碳、氢、氧、氮和硫等元素的角蛋白构成，区别于其他蛋白质的最主要特征是蛋白质中有较多二硫键形式存在。一般而言，具有较细直径的羊毛纤维含有更多的二硫键。羊毛纤维含有的多种蛋白质是由肽键连接氨基酸缩合而成的高分子化合物。其中氨基酸结构中连接有羧基、氨基、巯基和酰胺基等极性基团。羊毛纤维是一个细长呈卷曲状的实心圆柱体，由外向内主要由鳞片层、皮质层和髓质层构成。通常羊毛纤维表面有鳞片覆盖，它们相互之间有20%～50%的重叠程度。羊毛纤维越细，鳞片重叠性越好，鳞片密度越厚。这些鳞片具有保护羊毛纤维内层组织，抵抗外界机械和化学等侵蚀的作用，主要决定着羊毛纤维的物理化学性质。

羊毛纤维的生物降解反应开始于微生物破坏其鳞片层的过程，进而侵蚀纤维内部结构。其中微生物降解角蛋白通常经过三个主要步骤，即变性作用、水解作用和转氨基作用。其中变性作用主要是角蛋白中具有稳固其立体化学结构的二硫键遭到破坏而发生变性反应，使其易于被化学试剂和水解酶攻击。水解作用指的是羊毛蛋白质变性后通过蛋白酶水解转化成氨基酸的反应。转氨基作用主要是在微生物作用下，氨基酸进行氧化脱氨反应生成氨气和羧酸等。其中的硫元素则被微生物分解后以H2S和单质硫的形式进入自然界，并进一步氧化成硫酸盐。在有氧条件下，在亚硝酸细菌和硝酸细菌存在时，氨气通过硝化作用转化成硝酸，在缺氧或无氧条件下，自然环境也可发生微生物将硝酸盐还原为氮气的反硝化作用过程。值得说明的是，与纤维素纤维比较，羊毛纤维更难以被生物降解，主要是因为其蛋白质分子链间存在二硫键、盐式键和氢键等，使蛋白质分子链间表现出较强的侧向作用力，其中以二硫键的作用最为突出，导致羊毛蛋白质的变性反应较不易发生。

7.1.3.3　涤纶

涤纶又称聚酯纤维，是合成纤维领域中产量最大和种类最多的纤维品种。涤纶是由聚对苯二甲酸乙二醇酯组成的具有对称苯环结构的线型大分子，其分子链中所有苯环几乎是处在同一个平面，并不存在较大支链或侧基，这使得其大分子间具有较强的侧向作用力，显示出高度的结晶度规整性。研究证明，涤纶非常不易被自然界中的生物降解。在湿度45%～100%和20℃的环境中，聚酯材料存在30～40年后，其主要性能仅有部分损失。聚酯材料在人体与动物体内难以被消化，其中的降解反应可能持续几十年。尽管聚酯材料对自然环境不会造成直接危害，但是因其在自然环境存量巨大且很难在自然条件下发生降解反应，目前其已经变成了全球性的有机污染物。聚酯纤维分子结构中存在容易受酶以及水分子攻击的酯键。这为其生物降解反应提供了可能性。国内外的研究者近年来已发现了涤纶分解菌，当使用其处理涤纶时，在2个月内可使涤纶强度降低50%左右。