塑料垃圾降解研究進(jìn)展

易力　雷麗紅　杜美慧　李箏　王悅

摘 要

塑料因具有輕巧便利、經(jīng)久耐用的特點，故而成了社會生活中極其重要的一部分，但大部分塑料在自然環(huán)境中都很穩(wěn)定，難以降解。為推進(jìn)塑料垃圾的處理與環(huán)境保護(hù)工作，該文綜述了可降解塑料在生產(chǎn)生活上的應(yīng)用及發(fā)展水平，為在未來解決塑料垃圾污染問題提供新思路。

關(guān)鍵詞

塑料垃圾;可降解塑料;生物降解;環(huán)境保護(hù)

中圖分類號： X705 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 06 . 99

塑料在被發(fā)明之初，給人們的生活帶來了極大地便利，曾被稱為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。隨著人類社會的不斷發(fā)展，塑料制品產(chǎn)量也在與日俱增，而由此產(chǎn)生的塑料垃圾也給整個社會帶來了巨大的負(fù)面影響，極低地回收價值也使得塑料垃圾的處理不外乎填埋、焚燒等。其中，物理填埋過程中產(chǎn)生的滲濾液，化學(xué)焚燒過程中產(chǎn)生的各種有害氣體，給人類、動物及生態(tài)環(huán)境造成了難以估計的危害。

該文對塑料垃圾降解的研究水平加以綜述，討論了進(jìn)一步研究的方向及領(lǐng)域，對未來該問題的解決將有一定的促進(jìn)作用。

1 可降解塑料的種類

塑料是通過以石油為原料裂解所產(chǎn)生的單體通過加聚或縮聚反應(yīng)聚合而成的高分子化合物。在目前生產(chǎn)生活中，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）、聚氯乙烯（PVC）、聚酯（PET）、尼龍（PA）等是最常見的塑料。

1.1 光降解塑料

光降解塑料是指在太陽光的作用下可實現(xiàn)降解的塑料制品。在光照條件下，塑料的高分子聚合物吸收紫外線，引起分子內(nèi)部的相互作用力減弱，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)后裂解成小分子物質(zhì)，再在空氣中O2的作用下，最終被氧化分解。盡管該種塑料的發(fā)展較早，但在其生產(chǎn)和使用過程中仍存在不足之處。比如，該種塑料的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于其他種類的可降解塑料，在生產(chǎn)過程中添加的光引發(fā)劑對人類和自然環(huán)境也會產(chǎn)生一定的影響，除此之外，光降解塑料也僅適用于光照比較充足的地方，這些原因都使得光降解塑料在生產(chǎn)生活中的使用范圍受到限制。

1.2 生物可降解塑料

生物可降解塑料主要由淀粉、纖維素等一些天然可再生的谷物合成，該種塑料可被自然環(huán)境中的細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類等微生物所降解。根據(jù)其類型與降解程度，可分為完全生物降解型塑料和不完全生物降解型塑料。完全生物降解型塑料擁有與常規(guī)塑料相近的性能，廢棄之后可被細(xì)菌、真菌等自然界的微生物分解成小分子物質(zhì)，最終被分解成H2O和CO2的高分子聚合物，對環(huán)境具有一定的保護(hù)作用，所以又被稱為“綠色塑料”[1]。不完全生物降解型塑料主要是在常規(guī)塑料中加入一些具有生物降解性能的物質(zhì)。采用這種方式降解后產(chǎn)生的小分子會長時間存在于土壤中，不能被自然環(huán)境吸收，存在降解缺陷[2]。生物可降解塑料在生產(chǎn)、生活上的應(yīng)用也比較廣泛，比如常見的口罩、食品袋、覆地膜和農(nóng)藥，及在醫(yī)藥領(lǐng)域所使用的可吸收手術(shù)縫合線和藥物緩釋等。

2 塑料垃圾降解

在自然環(huán)境下塑料垃圾的降解周期漫長，同時，因其材質(zhì)的特殊性和多樣性，目前涉及的處理方法主要集中在物理、化學(xué)、生物這三個領(lǐng)域。

2.1 物理降解

在物理降解方面，填埋法、簡單再生技術(shù)和塑料混凝土處理法的應(yīng)用范圍較廣。其中，填埋法是常用的物理降解方法，操作簡便，但填埋過程中所產(chǎn)生的滲濾液卻會對水資源造成污染。此外，填埋法在一定程度上對土地資源也是一種極大的浪費;簡單再生技術(shù)即把塑料垃圾經(jīng)分選、清洗、破碎、熔融、造粒等步驟再加工成新的產(chǎn)品。該技術(shù)因工藝簡單、成本低、投資少等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，但對塑料的高要求使得該技術(shù)局限性較大;塑料混凝土處理法即在塑料顆粒中摻入混凝土，該種材料兼具塑料與混凝土的特性，而且在一定程度上還可以有效地處理廢棄塑料，但塑料集料的摻入?yún)s會對混凝土的部分性能產(chǎn)生影響，如抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度等。

2.2 化學(xué)降解

在化學(xué)領(lǐng)域，塑料垃圾的處理技術(shù)主要包括焚燒技術(shù)與資源化處理技術(shù)。焚燒技術(shù)既方便快捷，又可以提供一定的熱能資源，但燃燒時釋放的有害氣體卻會對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞;資源化處理技術(shù)在保護(hù)環(huán)境的同時，也開拓了一條塑料垃圾再利用的途徑。由于塑料垃圾在不同的條件下會生成不同的產(chǎn)物，故可以利用這一點對塑料垃圾進(jìn)行資源化，以此得到目標(biāo)產(chǎn)物。比如，富含苯乙烯單體的廢PS的熱降解產(chǎn)物，提純后可作為聚苯乙烯的生產(chǎn)原料，也可將其中的芳香族產(chǎn)物作為高辛烷值汽油的調(diào)合組份，同樣可考慮將PS、PP、PE混合降解，這種方法不僅提高了汽油餾份的辛烷值，還減少了廢塑料分揀過程中的人工成本 ，獲得更佳的經(jīng)濟效益。

2.3 生物降解

與傳統(tǒng)降解塑料的技術(shù)相比，開發(fā)微生物降解塑料的技術(shù)更具有現(xiàn)實和生態(tài)意義，而其實質(zhì)就是微生物分泌的酶的作用結(jié)果，能夠降解塑料的微生物所分泌的酶具有專一性，即一種酶作用于一種底物。不同種類的微生物，所分泌的酶也不同。同時，酶的活性也受環(huán)境溫度、pH值等因素的影響。生長環(huán)境越適宜，該環(huán)境中的微生物越多，高分子聚合物的降解速度越快。目前國內(nèi)外科學(xué)家已從昆蟲腸道和土壤中分離出放線菌、細(xì)菌、真菌等多種能夠降解塑料的微生物。

Pranamuda等[3]篩選到了一株能夠有效降解PLA薄膜的擬無枝酸菌屬的Amycolatopsis HT-32，該菌株在經(jīng)過14d的液體發(fā)酵培養(yǎng)后，就可以使PLA薄膜的60%實現(xiàn)降解。Gilan[4]分離出能夠降解聚苯乙烯的純菌C208（Rhodococcus ruber），該菌的降解率可達(dá)8%。沈葉紅[5]從黃粉蟲腸道中分離出8株菌，分別是 Stenotrophomonas、Serratia、Bacillus subtilis、Enterobacter sp.、Bacterium、Staphylococcus、Stenotrophomonas maltophilia和Citrobacter，這些菌試驗降解的膜表面均有腐燭斑。Li等[6]從土壤中篩選出1株對PCL有較高降解率的菌株P(guān)enicillium oxalicum DSYD05-1，研究發(fā)現(xiàn)10 d后PCL薄膜可被該菌完全降解。馮靜[7]從土壤中分離出了一株可以降解聚乙烯的放線菌，并鑒定該菌株為Streptomyces albogriseolus（白淺灰鏈霉菌），該研究中，不同分子量的聚乙烯粉末都可以被白淺灰鏈霉菌降解。陳冠舟等[8]以高通量測序法探究嚙食PS泡沫塑料黃粉蟲腸道菌群結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)腸道細(xì)菌可能在黃粉蟲生物降解塑料的過程中起主導(dǎo)作用。中科院研究組[9]從城市垃圾中分離出一株放線菌，并鑒定該菌株為“塔賓曲霉菌”，研究發(fā)現(xiàn)該菌不僅能夠在聚氨酯塑料表面生長，還可以高效地降解該種塑料，且兩周就可以明顯看到生物降解過程?？追嫉萚10]在有氧條件下通過分離篩選到 2株細(xì)菌PSI-1、PSI-2與一株真菌 KHJ-1，通過形態(tài)觀察、生理生化及rRNA基因序列分析鑒定分別是Bacillus anthracis、Enterobacter hormaechei和Aspergillus niger，3株菌均能以聚苯乙烯為唯一碳源進(jìn)行生長并參與塑料降解過程。

由此可見，在一定條件下可以通過微生物的分解作用來實現(xiàn)塑料的生物降解，而生物降解的方法既保護(hù)了自然環(huán)境，又在一定程度上維持了生態(tài)平衡，同時也為解決塑料垃圾污染的世界性難題提供了新思路。

3 展望

由于塑料的降解難度大，且使用量較高，以致塑料垃圾對環(huán)境造成的負(fù)面影響越來越嚴(yán)重。在這種嚴(yán)峻的形勢下，縮短塑料垃圾的降解周期，尋找更高效且成本更低的塑料垃圾降解方法便具有了重大的意義?；谇叭说难芯?，生物可降解型塑料的研制和生物降解技術(shù)的開發(fā)在解決塑料污染問題方面具有絕對的優(yōu)勢及廣闊的前景。并且對于從根本上解決塑料垃圾污染問題，發(fā)揮主要作用的仍然是微生物。在未來，繼續(xù)分離、篩選、改造對傳統(tǒng)塑料及生物可降解型塑料有降解作用的菌株將會成為解決塑料污染問題的主要方向。

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