微生物對(duì)塑料的降解

程若瑤（河南大學(xué)邁阿密學(xué)院，河南 開(kāi)封475000）

在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂弥鞣N一次性塑料制品，如在食堂買(mǎi)飯時(shí)使用的塑料袋、塑料飯盒，還有一次性的塑料瓶等，塑料制品充斥在人類衣食住行的方方面面。但是這些傳統(tǒng)的一次性塑料制品多由聚苯乙烯、聚丙烯等高分子化合物制成，其化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，并且化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，在環(huán)境中自然降解的時(shí)間要長(zhǎng)達(dá)200年，因此對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染[1]。而生物降解因其低能耗并且降解的最終產(chǎn)物均為二氧化碳和水這種環(huán)境友好型產(chǎn)物，所以廣泛受到人們關(guān)注，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者也一直在致力于研究用生物來(lái)降解塑料的方法。

1 生物可降解塑料

生物可降解塑料是由生物可降解型高分子構(gòu)成，它是指通過(guò)自然界中已有的微生物(如細(xì)菌、真菌、放線菌等)的生理作用而發(fā)生降解并且以無(wú)毒害的產(chǎn)物回歸大自然參與到碳素循環(huán)中的一種高分子。所以并不是所有的塑料都可以被生物所降解，生物可降解型塑料主要分為兩種[2]，一種是以石油為主要的原料再經(jīng)過(guò)一系列的生產(chǎn)加工得到的生物可降解型塑料，如聚己內(nèi)酯(Polycaprolacton，PCL) 、聚琥珀酸丁二醇酯(Poly(butylene succinate ) ，PBS ) 、聚 乙 烯 醇( polyvinyl alcohol，PVA)等;另一種則是以可再生的植物資源如作物中的淀粉，或是碳源經(jīng)過(guò)各種化學(xué)反應(yīng)如發(fā)酵得到的不同結(jié)構(gòu)的聚合物為原料生產(chǎn)出來(lái)的生物質(zhì)塑料，如聚羥脂肪酸酯( polyhydroxyalkanoates，PHA)、聚乳酸(Polylac_x0002_tic acid，PLA)等[3-4]。（目前國(guó)際上早已形成了完整的可降解塑料的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法體系[5]。）

2 生物降解塑料的機(jī)理

一般認(rèn)為，生物降解過(guò)程實(shí)際上是由特定的微生物和降解酶來(lái)完成的，主要分為兩步。第一步微生物釋放水解酶與塑料表面的受體特異性結(jié)合，使之水解為分子量小于500的脂肪酸或脂類物質(zhì)；第二步是前一過(guò)程的生成的小分子酸或脂類物質(zhì)進(jìn)入到微生物體內(nèi)參與其生理代謝過(guò)程，從而進(jìn)一步分解為水和二氧化碳并為細(xì)胞提供能量[6]。

根據(jù)降解過(guò)程的機(jī)理與破壞塑料結(jié)構(gòu)的方式的不同，生物降解塑料可分成完全生物降解和生物破壞性降解兩類[7]。

2.1 完全生物降解

完全生物降解是指塑料高分子物質(zhì)在具有降解功能的微生物作用下，導(dǎo)致其主鏈斷裂，進(jìn)而逐漸被分解成為各種小分子物質(zhì)的過(guò)程，如：水，二氧化碳，氨。這個(gè)過(guò)程也可以看做塑料被細(xì)菌、真菌等微生物同化吸收的過(guò)程[8]。主要可以分為三種方式：

（1）生物的物理作用：由于可降解塑料的微生物其細(xì)胞在形態(tài)結(jié)構(gòu)上的增長(zhǎng)而導(dǎo)致的機(jī)械性的破壞。

（2）生物的化學(xué)作用：由于特定的微生物對(duì)聚合物的發(fā)生了特異性反應(yīng)而產(chǎn)生了新的物質(zhì)。

（3）酶的直接作用：由于微生物將高分子塑料部分侵蝕而導(dǎo)致材料的部分破碎分解或是氧化分解。

2.2 生物破壞性降解

這是一種不完全的降解的方式，主要是利用天然的雜鏈高分子，如：淀粉、纖維素等的微生物可降解性，再加上過(guò)氧化反應(yīng)的一種綜合降解過(guò)程。該方式適用于降解共聚手段合成的塑料。

3 目前的生物降解技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者研究發(fā)現(xiàn)并開(kāi)發(fā)的主要有四種生物降解技術(shù)：黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)降解聚苯乙烯泡沫塑料、混菌系統(tǒng)降解PET 技術(shù)、細(xì)菌催化消化酶分解PET 技術(shù)、微生物分解PAEs技術(shù)[9]。

3.1 黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)降解聚苯乙烯泡沫塑料

聚苯乙烯由于其高分子量和高穩(wěn)定性，自然環(huán)境中很難被降解，大家普遍認(rèn)為它是微生物無(wú)法降解的一類塑料。

北京航空航天大學(xué)楊軍教授和深圳趙姣博士等人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的合作研究，證明了黃粉蟲(chóng)即我們常說(shuō)的面包蟲(chóng)的幼蟲(chóng)具有降解聚苯乙烯類塑料的作用。他們將聚苯乙烯泡沫塑料添加到黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)環(huán)境中，并阻隔了其他食物來(lái)源，結(jié)果黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)可存活1 個(gè)月以上，并能最終發(fā)育成成蟲(chóng)，更神奇的是其最高生長(zhǎng)量可達(dá)它所吸食的塑料量的九倍[10]，所食的聚苯乙烯也被完全降解為二氧化碳或被同化為蟲(chóng)體的脂質(zhì)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也為我們提供了一個(gè)新的思路，推動(dòng)了科研工作者們進(jìn)行更深入的研究。

3.2 混菌系統(tǒng)降解PET 技術(shù)

天津大學(xué)本科生團(tuán)隊(duì)研究出了一種混菌體系可以高效降解塑料。我們都知道，由于食物，水，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有限，同種或多種菌群很難在同一系統(tǒng)中共同生長(zhǎng)，而該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就在于可以讓不同菌種在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)“和平共處”。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于一種十分巧妙的代謝方式，它可以大大降低菌與菌之間對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、生存空間的爭(zhēng)奪，來(lái)保持混菌系統(tǒng)的穩(wěn)定，并且這些菌可以相互協(xié)作，更高效的完成對(duì)塑料的降解。降解的大致過(guò)程為系統(tǒng)中的一部分細(xì)菌先工作，將塑料大分子降解成可被后續(xù)利用的小分子，另一部分細(xì)菌再將這些小分子物質(zhì)吸收或轉(zhuǎn)化分解為對(duì)環(huán)境無(wú)害的物質(zhì)。該混菌系統(tǒng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)可以完全降解一些生活中常見(jiàn)的塑料如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）。

3.3 細(xì)菌催化消化酶分解PET 技術(shù)

日本京都工藝?yán)w維大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)對(duì)PET 塑料瓶回收工廠采集到的土壤、廢水和沉淀物樣品進(jìn)行取樣分析后，神奇的發(fā)現(xiàn)了一種黏附在塑料薄膜上的細(xì)菌，該細(xì)菌包含了兩種生物酶，第一種酶可以將PET 分解為一種名叫MHET 的中間體，緊接著另一種名叫MHETase的酶，又將MHET進(jìn)一步水解為對(duì)苯二甲酸和乙二醇這兩種對(duì)環(huán)境友好的物質(zhì)，并為細(xì)菌提供更多能量。

3.4 微生物分解PAEs 技術(shù)

PAEs又稱塑化劑，在自然條件下難以分解。加拿大華裔女孩姚佳韻與她的高中同學(xué)汪郁雯，在弗雷澤河周邊可能被鄰苯二甲酸酯污染的三個(gè)地點(diǎn)采集了土壤樣本，并用鄰苯二甲酸酯作為培養(yǎng)基中的唯一碳源來(lái)培養(yǎng)微生物。經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)與篩選發(fā)現(xiàn)了三個(gè)菌株可能與鄰苯二甲酸酯的降解有關(guān)。之后她們提取了三種菌株的酶樣本并分別與一種鄰苯二甲酸媒介進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，與此同時(shí)用分光光度計(jì)記錄下整個(gè)實(shí)驗(yàn)，獲得了一個(gè)完整的曲線圖，表明這些菌株可能含有與塑料降解相關(guān)的基因。它們改變了塑化劑的結(jié)構(gòu)，并最終將其分解成二氧化碳、水或酒精。

4 微生物降解塑料的新進(jìn)展

就我們目前的情況來(lái)看，盡管我們?cè)谖⑸锝到馑芰系募夹g(shù)方面已經(jīng)取得了很大的突破，但在降解時(shí)間方面仍要做出巨大的努力。

4.1 根據(jù)不同的地理環(huán)境培育高效菌株

目前歐洲的BIOCLEAN 研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的思路，將傳統(tǒng)的有機(jī)堆肥與微生物降解塑料相結(jié)合，大大提高了微生物對(duì)塑料的降解效率。該研究團(tuán)隊(duì)選擇了一些被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)上的塑料作為研究對(duì)象，并多次在垃圾填埋場(chǎng)等地進(jìn)行取樣分析，成功分離篩選出了可有效降解塑料的微生物菌株，并在深度理解了各類菌株的不同功能特點(diǎn)以及不同的環(huán)境需求以后，將它們進(jìn)行高效培育。

4.2 土壤對(duì)聚氨酯塑料的降解研究

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，將聚氨酯塑料埋入某些肥沃的土壤中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著塑料的不斷降解，該土壤中真菌等微生物的數(shù)量也在不斷增加，這說(shuō)明該土壤中的某些真菌能將聚氨酯塑料作為能源物質(zhì)，并合成自身的生物質(zhì)。

4.3 新型可降解塑料的投入使用

生物可完全降解塑料是指那些能在環(huán)境中現(xiàn)存微生物產(chǎn)生的酶的作用下，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)最后被完全分解為二氧化碳、水等無(wú)污染物質(zhì)的新型塑料[12]。其中以聚羥基脂肪酸酯為原料的新型生物可降解塑料如今已投入到日常生活中使用，這種塑料可被生活中許多微生物所降解，當(dāng)這些微生物胞內(nèi)缺乏氮、磷時(shí)就會(huì)將其作為暫時(shí)的胞內(nèi)儲(chǔ)存能量和碳源的聚合物。這種生物可降解塑料的使用一方面可以減少對(duì)環(huán)境的污染，從另一方面來(lái)說(shuō)也減少了對(duì)不可再生能源如石油、煤炭的使用，符合我們一直提倡的資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

5 展望

發(fā)展生物可降解塑料是目前解決白色污染問(wèn)題的最適合的方法。生物對(duì)不同塑料的降解速率主要取決于塑料的物化性質(zhì)，其次取決于微生物類型。當(dāng)然降解過(guò)程所處的物理環(huán)境如溫度、水分、土壤的組成等對(duì)于微生物降解速率也都有影響。此外，水解和氧化分解作用對(duì)塑料的降解也起著催化的作用。盡管環(huán)境中有多種生物可使塑料降解，但微生物仍是該過(guò)程的主力軍。所以高效降解菌的篩選與純化培養(yǎng)以及如何大大縮短降解塑料的時(shí)間仍是目前研究生物可降解塑料的主要方向。