聚氨酯塑料的微生物降解

彭瑞婷，夏孟麗，茹家康，霍毅欣，楊宇

?

聚氨酯塑料的微生物降解

彭瑞婷1,2，夏孟麗2，茹家康2，霍毅欣2，楊宇2

1 武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070 2 北京理工大學(xué) 生命學(xué)院，北京 100081

彭瑞婷, 夏孟麗, 茹家康, 等. 聚氨酯塑料的微生物降解. 生物工程學(xué)報(bào), 2018, 34(9): 1398–1409.Peng RT, Xia ML, Ru JK, et al. Microbial degradation of polyurethane plastics. Chin J Biotech, 2018, 34(9): 1398–1409.

未被合理處置的廢塑料污染已成為全球性的環(huán)境問(wèn)題，探索塑料廢棄物的無(wú)害化處理技術(shù)勢(shì)在必行。近來(lái)，研究證實(shí)了自然界中存在可以降解塑料的微生物及酶。利用微生物或酶對(duì)廢塑料進(jìn)行生物處理成為可能。聚氨酯塑料(Polyurethane, PUR) 是廣泛應(yīng)用的通用塑料之一，其廢棄物量已占到所有廢塑料總體積的30%。文中將PUR塑料發(fā)明應(yīng)用70年來(lái)有關(guān)微生物降解的研究進(jìn)行了全面綜述，對(duì)PUR塑料降解真菌、細(xì)菌、降解基因與酶、降解產(chǎn)物及相關(guān)的生物處理技術(shù)系統(tǒng)等進(jìn)行了總結(jié)與分析，并對(duì)實(shí)現(xiàn)PUR廢塑料高效生物處理需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了展望。

塑料污染，聚氨酯，微生物降解，解聚酶，生物處理

聚氨酯 (Polyurethane, PUR)，全稱為聚氨基甲酸酯。1937年，Otto Bayer首次以石油化學(xué)品為原料合成了PUR，并于20世紀(jì)50年代開始工業(yè)化生產(chǎn)[1]。由于具備良好的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和耐久性，PUR塑料被廣泛應(yīng)用于保溫建材、包裝材料、汽車材料、合成革、鞋類材料、涂料、醫(yī)用材料等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全球PUR塑料年產(chǎn)量占合成塑料總產(chǎn)量的7.5%，達(dá)24.2 Mt；其中，中國(guó)的PUR塑料年產(chǎn)量達(dá)10.1 Mt[2]。

伴隨PUR塑料的廣泛應(yīng)用，不可避免會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物。當(dāng)前，PUR廢塑料量已占到所有廢塑料總體積的30%[3]。傳統(tǒng)的廢塑料處理方法主要包括填埋、焚燒和回收。填埋在地下的廢塑料數(shù)十年仍不能降解，不僅占用土地資源，還會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)污染土壤和地下水[3]；焚燒法雖能解決占用土地資源問(wèn)題，還能通過(guò)回收熱量用于發(fā)電或供暖，但存在不完全燃燒產(chǎn)生二噁英、一氧化碳和氮氧化物等有毒氣體和煙塵等二次污染問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)[3]；此外，由于PUR塑料種類繁多，使PUR廢塑料的分類回收異常困難[3]。若PUR廢塑料未被合理處理，一旦被丟棄到自然環(huán)境中，就會(huì)對(duì)自然景觀和生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的破壞和威脅[4]。因此，開發(fā)對(duì)不同種類PUR廢塑料具有普適性的無(wú)害化處理技術(shù)勢(shì)在必行。

人工合成塑料及規(guī)模應(yīng)用的歷史尚不足80年，普遍認(rèn)為這么短的時(shí)間不足以進(jìn)化出可以分解利用塑料的微生物或酶[5]。因此，塑料在自然界中的降解速度十分緩慢。近來(lái)，筆者及其他研究者分別證實(shí)了自然界中存在可以分解塑料的微生物及酶，利用微生物或酶對(duì)廢塑料進(jìn)行生物處理成為可能[6-9]。文中將PUR塑料發(fā)明應(yīng)用70年來(lái)有關(guān)微生物降解的研究進(jìn)行了全面綜述，對(duì)PUR塑料降解真菌、細(xì)菌、降解基因與酶、降解產(chǎn)物及相關(guān)的生物處理技術(shù)系統(tǒng)等進(jìn)行了總結(jié)與分析，并對(duì)實(shí)現(xiàn)PUR廢塑料高效生物處理需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了展望。

1 PUR的合成、化學(xué)結(jié)構(gòu)及超分子結(jié)構(gòu)

PUR是由二異氰酸酯分子與多元醇分子聚合而成的一種具有氨基甲酸酯重復(fù)結(jié)構(gòu)單元 (?NHCOO?) 的聚合物 (圖1A)。通常，將含有異氰酸酯基鏈段稱為硬段，決定PUR的硬度和強(qiáng)度；將含有多元醇自由基鏈段稱為軟段，決定PUR的彈性和延伸特性。PUR的材料性能首先取決于合成原料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和配比 (圖1B)，改變多元醇和多異氰酸酯的種類和比例，可以創(chuàng)造無(wú)限的配方，制備出多種不同性能的PUR。例如，依據(jù)選擇的原料多元醇分子的不同，PUR可被劃分為聚酯型PUR和聚醚型PUR。其次，PUR的材料性能還取決于它的超分子結(jié)構(gòu) (聚集態(tài)) (圖1C)。例如，線性結(jié)構(gòu)的PUR彈性體，其分子鏈之間沒有化學(xué)鍵結(jié)合，在受熱或者受力情況下分子間可以相互移動(dòng)，因此可以在適當(dāng)?shù)娜軇┲腥芙?，加熱時(shí)可以熔融。而熔融的溫度往往取決于無(wú)定形相和結(jié)晶相的比例，也就是結(jié)晶度。交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的PUR泡沫塑料，其分子鏈之間形成了化學(xué)鍵，在受熱或者受力情況下分子間不能相互移動(dòng)，是不能溶解和熔融的。這時(shí)分子鏈也不能有序排列形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

2 PUR塑料的降解真菌

1968年，Darby和Kaplan[10]率先開展了真菌降解PUR塑料的研究，實(shí)驗(yàn)選取了4種二異氰酸酯和22種二元醇構(gòu)成不同的配方，制備了100余種線性結(jié)構(gòu)的聚酯型PUR或聚醚型PUR薄膜，并將薄膜分別貼在接種了7種不同真菌 (表1) 的無(wú)機(jī)鹽瓊脂平板表面，觀察各個(gè)菌株的生長(zhǎng)情況；結(jié)果表明，所選7株真菌均能在聚酯型PUR膜表面大量生長(zhǎng)，但都不能在聚醚型PUR膜表面生長(zhǎng)。1979年，F(xiàn)ilip[11]研究了兩株真菌 (表1) 以交聯(lián)聚醚型PUR泡沫為唯一碳源的生長(zhǎng)能力，培養(yǎng)30 d后，通過(guò)掃描電子顯微鏡 (SEM) 觀察，僅發(fā)現(xiàn)少量菌株在泡沫上生長(zhǎng)。1987年，Bentham等[12]利用麥芽糖培養(yǎng)基從土壤中掩埋的交聯(lián)聚酯型PUR泡沫和線性聚酯型PUR板表面分離到了15株真菌 (表1)，在以聚酯型PUR泡沫為唯一碳源的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中，這些菌株21 d內(nèi)能在PUR泡沫表面生長(zhǎng)，并造成一定的重量損失。1994年，Crabbe等[13]從土壤中篩選到4株真菌 (表1)，這些真菌均能降解一種線性聚酯型PUR乳液 (Impranil DLN, Bayer)，其中一株塞內(nèi)加爾彎孢霉的降解效果最好。2003年，Barratt等[14]從土壤掩埋的PUR片材表面分離出3種真菌 (表1)，均能在含Impranil DLN瓊脂平板上產(chǎn)生透明水解圈。2007年，Cosgrove等[15]采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)變性梯度凝膠電泳 (PCR-DGGE) 技術(shù)分析了土壤掩埋PUR片材表面的真菌種群結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在酸性和中性土壤中掩埋的PUR片材表面的優(yōu)勢(shì)真菌分別為氈狀地絲霉和莖點(diǎn)霉屬真菌sp.，通過(guò)純培養(yǎng)分離到這兩種優(yōu)勢(shì)真菌及其他3種真菌 (表1)，這5種真菌均可在含Impranil DLN瓊脂平板上產(chǎn)生透明水解圈。2010年，Matsumiya等[16]從環(huán)境樣品中分離到一株真菌 (表1)，可以降解交聯(lián)聚醚型PUR泡沫；在添加1% (/) 葡萄糖的LB培養(yǎng)基中，該菌在70 d內(nèi)能使交聯(lián)聚醚型PUR泡沫的重量減少達(dá)27.5%；以苯氨基甲酸乙酯 (EPC) 和4,4-二苯基甲烷二丁基脲 (D-MDI) 為底物，檢測(cè)到該菌能分泌水解氨基甲酸酯鍵和脲鍵的胞外酶。2011年，Russell等[17]從番石榴莖干中分離到一株植物內(nèi)生真菌 (表1)，該菌在厭氧和好氧條件下均能以Impranil DLN為唯一碳源，在2周內(nèi)降解率達(dá)99%，酶學(xué)分析發(fā)現(xiàn)該菌分泌的絲氨酸水解酶對(duì)降解起到了至關(guān)重要的作用。2012年，Mathur等[18]從垃圾堆土壤中分離出一株真菌 (表1)，以線性聚酯型PUR膜為唯一碳源，該菌在30 d內(nèi)使薄膜的重量減少了60.6%。2016年，álvarez-Barragán等[19]從花園土壤、垃圾場(chǎng)、空氣及冷藏室中分離到8株真菌 (表1)，這些真菌均能在含Impranil DLN的平板和含線性聚醚型PUR乳液 (Poly Lack, Sayer Lack Mexicana) 平板上產(chǎn)生透明水解圈；以Impranil DLN為唯一碳源，在2周內(nèi)降解率達(dá)75%–85%。在馬鈴薯葡萄糖培養(yǎng)基 (PDB) 中，這8株菌在21 d內(nèi)能使交聯(lián)聚醚型PUR泡沫的重量減少達(dá)10%–65%。2017年，Khan等[20]從垃圾場(chǎng)中分離出一種真菌 (表1)，該菌在沙氏瓊脂平板 (SDA) 上能降解線性聚酯型PUR薄膜形成肉眼可見孔洞，在含2% (/) 葡萄糖的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中，該菌在2個(gè)月內(nèi)能將線性聚酯型PUR薄膜降解成碎片。同年，Osman等[21]從垃圾場(chǎng)中分離出另一種真菌 (表1)，以線性聚酯型PUR膜為唯一碳源，該菌在28 d內(nèi)使薄膜的重量減少了20%。

圖1 PUR的合成 (A)、化學(xué)結(jié)構(gòu)(B)及超分子結(jié)構(gòu)(C)

表1 PUR塑料的降解真菌

a: L-PS indicates linear polyester polyurethane; L-PE indicates linear polyether polyurethane; C-PS indicates crosslinking polyester polyurethane; C-PE indicates crosslinking polyether polyurethane.

3 PUR塑料的降解細(xì)菌

相比真菌而言，細(xì)菌降解PUR的報(bào)道出現(xiàn)較晚。1991年，Kay等[22-23]從掩埋于土壤中的線性聚酯型PUR塑料表面分離和鑒定出12株細(xì)菌 (表2)，以交聯(lián)聚酯型PUR泡沫為唯一碳源，發(fā)現(xiàn)只有菌株棒狀桿菌屬細(xì)菌sp. B12和銅綠假單胞菌B16能降解交聯(lián)聚酯型PUR泡沫，在12周內(nèi)使重量損失達(dá)15.77%和9.3%，力學(xué)強(qiáng)度下降了47.61%和16.57%，添加入1% (/)酵母提取物，有利于促進(jìn)其他菌株對(duì)PUR的降解。1991年，Jansen等[24]從感染的導(dǎo)尿管 (一種線性聚醚型PUR彈性體) 上分離出一株細(xì)菌 (表2)，該細(xì)菌能以聚醚型PUR為唯一碳源存活，并產(chǎn)生脲酶降解聚醚型PUR。1995年，Nakajimakambe等[25-26]從土壤中分離到一株細(xì)菌 (表2)，當(dāng)以線性聚酯型PUR作唯一碳源時(shí)，該菌能在7 d內(nèi)幾乎能完全降解加入的塑料；當(dāng)以線性聚酯型PUR既作為唯一碳源又作為唯一氮源時(shí)，該菌在7 d內(nèi)降解了48%加入的塑料。1998–2012年間，Howard等[27-32]從土壤等環(huán)境中分離出5株細(xì)菌 (表2)，這些細(xì)菌均能在含Impranil DLN平板上產(chǎn)生透明水解圈，并且以Impranil DLN為唯一碳源生長(zhǎng)。2007年，Oceguera-Cervantes等[33-34]從垃圾場(chǎng)的廢棄PUR泡沫中分離到2株細(xì)菌 (表2)，這些菌能利用一種線性聚酯型PUR乳液 (Hydroform, Polyform) 和其他4種線性聚酯型PUR膜作為唯一碳源生長(zhǎng)。同年，Gautam等[35]發(fā)現(xiàn)一株細(xì)菌綠針假單胞菌ATCC55729可以降解線性聚酯型PUR泡沫。Nair等[36]從PUR塑料垃圾污染的水體中分離出一株細(xì)菌 (表2)，該菌能利用Impranil DLN為唯一碳源生長(zhǎng)，并能在含Impranil DLN平板上產(chǎn)生透明水解圈。2008年，Shah等[37]從土壤中掩埋6個(gè)月的線性聚酯型PUR膜上分離出5株細(xì)菌 (表2)，這些菌均能在含線性聚酯型PUR為唯一碳源的無(wú)機(jī)鹽瓊脂平板上生長(zhǎng)。2013年，Shah等[38-40]又從土壤中分離出了2株細(xì)菌 (表2)，這兩株細(xì)菌能以線性聚酯型PUR膜作為唯一碳源生長(zhǎng)，在30 d內(nèi)能使重量損失達(dá)到20%；當(dāng)將兩株菌進(jìn)行混合培養(yǎng)，在30 d內(nèi)能使重量損失達(dá)到40%。2014年，Peng等[41]從土壤中分離到一株細(xì)菌 (表2)，該菌能以Impranil DLN為唯一碳源生長(zhǎng)，并能在4 d內(nèi)降解92%的Impranil DLN。2015年，Nakkabi等[42-43]從腐爛的木材中分離到兩株細(xì)菌 (表2)，均能在含0.6% (/) Impranil DLN的LB培養(yǎng)基中生長(zhǎng)并降解Impranil DLN。2017年，本課題組[44]從載人航天器的冷凝水中分離到一株細(xì)菌 (表2)，該菌能在含Impranil DLN平板上產(chǎn)生透明水解圈，并能以線性聚酯型PUR膜作為唯一碳源生長(zhǎng)，在60 d內(nèi)能使重量損失達(dá)到19%；這應(yīng)該是首次報(bào)道既能降解聚酯型PUR乳液又能降解聚酯型PUR薄膜的細(xì)菌。

表2 PUR塑料的降解細(xì)菌

a: L-PS indicates linear polyester polyurethane; L-PE indicates linear polyether polyurethane; C-PS indicates crosslinking polyester polyurethane; C-PE indicates crosslinking polyether polyurethane.

4 PUR塑料的降解基因與酶

PUR塑料降解基因與酶的研究也取得了一定進(jìn)展，為認(rèn)識(shí)PUR塑料生物降解的基因和酶學(xué)機(jī)制提供了基礎(chǔ) (表3)。1987年，Phua等[45]發(fā)現(xiàn)來(lái)自番木瓜的蛋白水解酶Papain可以切斷氨基甲酯單元中的脲鍵，造成線性聚醚型PUR彈性體的降解。1993年，Santerre等[46-47]發(fā)現(xiàn)來(lái)自牛胰腺的膽甾醇酯酶Cholesterol esterase可以水解14C標(biāo)記的線性聚酯型PUR彈性體中軟段的酯鍵。1994年，Crabbe等[13]從一株聚酯型PUR降解菌株中純化出一個(gè)28 kDa的酯酶，能作用聚酯型PUR軟段中的酯鍵。1996年，Labrow等[48]發(fā)現(xiàn)來(lái)自豬胰腺的彈性蛋白酶Elastase能切斷氨基甲酯單元中的脲鍵，造成14C標(biāo)記的線性聚酯型PUR彈性體降解。1998年，Akutsu等[49-50]從聚酯型PUR降解菌株嗜酸叢毛單胞菌TB-35中克隆到一個(gè)基因A，它編碼的酯酶可以水解聚酯型PUR中的酯鍵。同年，Howard等[28]從菌株熒光假單胞菌中純化出一個(gè)29 kDa的蛋白酶，可以切斷PUR中氨基甲酯單元的脲鍵。1999年，Howard等[51-52]又從菌株中克隆到一個(gè)基因A，它編碼的酯酶可以水解聚酯型PUR中的酯鍵。此外，Howard等[53]還從菌株中純化出一個(gè)42 kDa的酯酶；從菌株[54-55]中純化出3個(gè)分子量分別為27 kDa、63 kDa和31 kDa的酯酶，可以水解聚酯型PUR中的酯鍵。2000年，Howard等[56-57]自菌株中克隆到2個(gè)基因A和B，它們編碼2個(gè)不同分子量的脂肪酶，可以水解聚酯型PUR中的酯鍵。2002年，Howard等[31]還從菌株枯草芽胞桿菌中純化出一個(gè)28 kDa的脂肪酶，可以水解聚酯型PUR中的酯鍵。2007年，Gautam等[58]從皺褶假絲酵母中純化出一個(gè)59 kDa的脂肪酶，可以水解聚酯型PUR中的酯鍵。2011年，Russell等[17]從真菌小孢擬盤多毛孢菌E2712A鑒定出一個(gè)21 kDa的絲氨酸水解酶，可以切斷PUR中氨基甲酯單元的脲鍵。2012年，Howard等[59]還從菌株P(guān)7中純化出一個(gè)66 kDa的脂肪酶，可以水解聚酯型PUR中的酯鍵。2014年，Peng等[41]還從菌株惡臭假單胞菌中純化出一個(gè)45 kDa的酯酶，可以水解聚酯型PUR中的酯鍵。

表3 PUR塑料的降解基因與酶

5 PUR塑料的生物降解產(chǎn)物

1981年，Martens等[60]為探明PUR塑料生物降解過(guò)程中是否釋放有毒性的苯胺類降解產(chǎn)物，以14C標(biāo)記甲基的2,4-或2,6-TDI和14C標(biāo)記亞甲基的4,4-MDI為硬段原料 (圖1B) 合成了聚酯型和聚醚型PUR泡沫。再以14C標(biāo)記PUR泡沫為唯一碳源，接種垃圾滲濾液為微生物源，培養(yǎng)2個(gè)月后，利用薄層色譜 (TLC) 分離和14C放射性檢測(cè)，證明苯胺類小分子化合物是PUR的生物降解產(chǎn)物。1997年，Wang等[61]利用超濾-冷凍干燥-固液萃取制備樣品并以高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜 (HPLC-MS/MS) 為檢測(cè)手段，分析了膽甾醇酯酶Cholesterol esterase降解一種聚酯型PUR (以聚己內(nèi)酯二元醇和2,4-TDI為原料) 的降解產(chǎn)物。發(fā)現(xiàn)主要的降解產(chǎn)物為PUR的軟段中的酯鍵斷裂后的小分子化合物。1997年，Nakajimakambe等[26]以聚二乙二醇己二酸酯二元醇和2,4-TDI為原料合成了線性聚酯型PUR，利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用 (GC-MS) 研究了細(xì)菌嗜酸叢毛單胞菌TB-35降解該種PUR的中間產(chǎn)物。發(fā)現(xiàn)主要的降解產(chǎn)物為二乙二醇、己二酸和三羥甲基丙烷。2007年，Gautam等[35]也研究了綠針假單胞菌ATCC 55729降解同種線性聚酯型PUR的產(chǎn)物。利用GC檢測(cè)到了二乙二醇，并發(fā)現(xiàn)可溶性氨氮類產(chǎn)物。2013年，Shah等[38-39]以聚丁二醇己二酸酯二元醇和4,4-MDI為原料合成了線性聚酯型PUR，利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用 (GC-MS) 研究了兩株細(xì)菌枯草芽胞桿菌和銅綠假單胞菌降解該類PUR的中間產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)主要是丁二醇和己二酸。以上研究表明，聚酯型PUR生物降解主要發(fā)生在含酯鍵的軟段。

6 PUR塑料生物處理技術(shù)系統(tǒng)

在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)環(huán)境中 (如土壤) 存在PUR塑料降解土著微生物，并分離篩選到了一定數(shù)量的PUR塑料降解純菌的研究基礎(chǔ)上，如何加以利用進(jìn)一步形成生物處理技術(shù)系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)際問(wèn)題。

在土壤環(huán)境中，PUR塑料的生物降解速率是較為緩慢的[12]。生物促進(jìn) (Biostimulation) 是通過(guò)添加外源生物促進(jìn)劑刺激土著降解微生物菌群的生長(zhǎng)而加速污染物降解，而生物強(qiáng)化 (Bioaugmentation)是通過(guò)添加外源微生物菌劑補(bǔ)充降解微生物來(lái)促進(jìn)污染物降解的技術(shù)[62]。2012年，Cosgrove等[62]首次嘗試構(gòu)建生物促進(jìn)和生物強(qiáng)化技術(shù)系統(tǒng)對(duì)土壤環(huán)境中PUR塑料污染物進(jìn)行加速生物降解處理。以力學(xué)性能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，添加Impranil DLN和酵母提取物作為生物促進(jìn)劑時(shí)，能將線性聚酯型PUR片材的降解率提高了62%；添加PUR降解真菌毛藻叢赤殼菌、綠純青霉、赭綠青霉、毛霉屬真菌sp.時(shí)[14-15]，使線性聚酯型PUR片材的降解率提高了30%– 70%。PCR-DGGE分析表明，生物促進(jìn)和生物強(qiáng)化改變了土壤環(huán)境原有的真菌種群結(jié)構(gòu)，是導(dǎo)致生物降解效率提高的原因。但是，外加的PUR降解真菌并沒有成為優(yōu)勢(shì)菌。

傳統(tǒng)堆肥一般都是采用控制環(huán)境條件的方法，利用堆制原料中的土著微生物來(lái)降解有機(jī)污染物，是一種典型的有機(jī)固體廢棄物集中式規(guī)?；锾幚砑夹g(shù)系統(tǒng)。因此，現(xiàn)行的塑料生物降解性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也多將實(shí)驗(yàn)室模擬堆肥作為生物降解測(cè)試系統(tǒng)[63]。1998年，Kim等[64]構(gòu)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的好氧堆肥系統(tǒng)，測(cè)試了7種不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的線性聚酯型PUR片材的降解情況，在45 d內(nèi)重量損失為4.7%–50.7%。2012年，Krasowska等[65]構(gòu)建了一個(gè)中試規(guī)模自然條件下的堆肥系統(tǒng)，測(cè)試了3種PUR片材 (包括1種線性聚酯型、1種交聯(lián)聚酯型和1種線性聚醚型) 的降解情況；24個(gè)月內(nèi)，3種PUR的重量損失為10.7%、42.9%和1.3%。聚酯型PUR降解速率顯著高于聚醚型PUR。2013年，Zafar等[66]研究了25 ℃、45 ℃和50 ℃溫度下堆肥對(duì)線性聚酯型PUR片材的降解情況。發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)降解效果的影響并不顯著。2014年，Zafar等[67]又研究了在商業(yè)化堆肥 (60–75 ℃) 中線性聚酯型PUR片材的降解情況。發(fā)現(xiàn)28 d后PUR片材的力學(xué)性能顯著下降。按照塑料生物降解性能堆肥測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，可堆肥化的要求是180 d內(nèi)的生物降解率大于60%[63]。由于PUR在當(dāng)前堆肥系統(tǒng)中的生物降解率還達(dá)不到上述要求[64-67]，所以當(dāng)前堆肥系統(tǒng)尚不能用于PUR塑料的生物處理。這可能是堆制原料中土著微生物菌群結(jié)構(gòu)中PUR塑料降解菌種占比很低的緣故[67]。是否可以借鑒生物強(qiáng)化技術(shù)的原理，通過(guò)接種已分離的PUR塑料降解微生物菌劑，與現(xiàn)有堆制原料進(jìn)行混合堆肥，以期提高PUR塑料的生物降解率，有待進(jìn)一步研究[68]。

7 關(guān)鍵問(wèn)題與展望

過(guò)去50余年的研究表明，自然界中已經(jīng)進(jìn)化出了PUR塑料的生物降解途徑，為進(jìn)一步探索PUR廢塑料的生物降解處理技術(shù)提供了依據(jù)，也為努力解決日益嚴(yán)重的塑料污染環(huán)境問(wèn)題提供了解決思路。然而，當(dāng)前所發(fā)現(xiàn)的PUR塑料降解途徑的降解速率依然比較低，離實(shí)際應(yīng)用還有較遠(yuǎn)的距離。據(jù)此，我們認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)PUR塑料高效生物降解還有以下關(guān)鍵問(wèn)題需要解決：

1) PUR塑料降解微生物的分離與篩選。當(dāng)前分離到的PUR塑料降解真菌和細(xì)菌絕大部分是從土壤或者垃圾填埋場(chǎng)中分離得到的。由于只能分解軟段聚酯多元醇分子的酯鍵，而不能分解氨基甲酸酯重復(fù)結(jié)構(gòu)單元 (?NHCOO?) 的酯鍵或脲鍵，所以這些菌株只能降解聚酯型PUR，而不能降解聚醚型PUR。因此，開發(fā)和改進(jìn)相應(yīng)的分離篩選方法，嘗試從不同的環(huán)境樣品中分離和篩選具有分解氨基甲酸酯重復(fù)結(jié)構(gòu)單元 (?NHCOO?) 的酯鍵或脲鍵的微生物，對(duì)于真正實(shí)現(xiàn)不同種類PUR塑料的普適性生物降解具有重要的意義。

2) PUR塑料的生物代謝途徑。當(dāng)前對(duì)PUR塑料降解菌株中起降解作用的酶進(jìn)行分離純化和生化性質(zhì)的研究還不多。目前為止，只有4個(gè)細(xì)菌來(lái)源的PUR降解基因被克隆鑒定，而來(lái)自真菌的PUR降解基因還未被報(bào)道 (表3)。此外，當(dāng)前關(guān)注的酶還僅僅是降解過(guò)程中第一步的長(zhǎng)鏈分子解聚酶，對(duì)解聚后的降解產(chǎn)物如單體和寡聚物的進(jìn)一步代謝相關(guān)的酶還沒有研究。確定PUR塑料及其降解產(chǎn)物的降解功能基因和關(guān)鍵酶，解析PUR塑料降解的代謝通路，對(duì)構(gòu)建PUR塑料的高效降解基因工程菌具有重要意義。

3) 超分子結(jié)構(gòu) (凝聚態(tài)) 對(duì)PUR塑料生物降解的影響。當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的PUR塑料降解微生物或酶對(duì)PUR乳液 (如Impranil DLN) 的降解效率遠(yuǎn)高于PUR片材和泡沫的效率。因?yàn)镻UR乳液是水分散型，而PUR片材和泡沫是非水溶性固體物質(zhì)，本身的超分子結(jié)構(gòu) (凝聚態(tài))，如結(jié)晶、相分離和交聯(lián)等，都可能是影響微生物或酶對(duì)PUR塑料可及度的重要因素。因此，深入研究超分子結(jié)構(gòu) (凝聚態(tài)) 對(duì)PUR生物降解的影響規(guī)律，創(chuàng)造克服這些影響因素的辦法，對(duì)實(shí)現(xiàn)PUR塑料的生物降解效率具有重要意義。

4) PUR塑料廢棄物生物處理技術(shù)系統(tǒng)。如何能使選育的PUR塑料降解微生物或酶長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地規(guī)?；ぷ?，是實(shí)現(xiàn)PUR塑料廢棄物生物處理技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。這就要求我們從工程的角度，首先確定PUR塑料廢棄物生物處理技術(shù)系統(tǒng)的可能形式，如生物強(qiáng)化、生物堆肥和生物反應(yīng)器等；其次重點(diǎn)研究具有顯著優(yōu)勢(shì)工程化形式的重要工程控制因素，通過(guò)不斷地優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)PUR塑料廢棄物生物處理技術(shù)的規(guī)?；瘜?shí)際應(yīng)用。

[1] Bayer O. Polyurethanes. Modern Plastics, 1947, 24: 149?152.

[2] Plastics Europe. Plastics?the facts 2016: an analysis of European plastics production, demand and waste data [EB/OL]. [2017-12-29]. http://www.plasticseurope.org.

[3] Cregut M, Bedas M, Durand MJ, et al. New insights into polyurethane biodegradation and realistic prospects for the development of a sustainable waste recycling process. Biotechnol Adv, 2013, 31(8): 1634?1647.

[4] L?nnstedt OM, Ekl?v P. Environmentally relevant concentrations of microplastic particles influence larval fish ecology. Science, 2016, 352(6290): 1213?1216.

[5] Yang Y. Biodegradation of plastics: key challenge and advances[C]. China Society of Biotechnology Young Scientists Forum Ⅱ. 2017. (in Chinese)楊宇. 塑料的生物分解:關(guān)鍵問(wèn)題及進(jìn)展[C]. 中國(guó)生物工程學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì). 2017.

[6] Yang Y, Yang J, Wu W-M, et al. Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms. 1. chemical and physical characterization and isotopic tests. Environ Sci Technol, 2015, 49(20): 12080?12086.

[7] Yang Y, Yang J, Wu W-M, et al. Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms. 2. role of gut microorganisms. Environ Sci Technol, 2015, 49(20): 12087?12093.

[8] Yoshida S, Hiraga K, Takehana T, et al. A bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate). Science, 2016, 351(6278): 1196?1199.

[9] Yang Y, Yang J, Jiang L. Comment on “A bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate)”. Science, 2016, 353(6301): 759?759.

[10] Darby RT, Kaplan AM. Fungal susceptibility of polyurethanes. Appl Microbiol, 1968, 16(6): 900?905.

[11] Filip Z. Polyurethane as the sole nutrient source for, and. Appl Microbiol Biotechnol, 1979, 7(3): 277?280.

[12] Bentham RH, Morton LHG, Allen NG. Rapid assessment of the microbial deterioration of polyurethanes. Int Biodeterior, 1987, 23(6): 377?386.

[13] Crabbe JR, Campbell JR, Thompson L, et al. Biodegradation of a colloidal ester-based polyurethane by soil fungi. Int Biodeterior Biodegradation, 1994, 33(2): 103?113.

[14] Barratt SR, Ennos AR, Greenhalgh M, et al. Fungi are the predominant micro-organisms responsible for degradation of soil-buried polyester polyurethane over a range of soil water holding capacities. J Appl Microbiol, 2003, 95(1): 78?85.

[15] Cosgrove L, Mcgeechan PL, Robson GD, et al. Fungal communities associated with degradation of polyester polyurethane in soil. Appl Environ Microbiol, 2007, 73(18): 5817?5824.

[16] Matsumiya Y, Murata N, Tanabe E, et al. Isolation and characterization of an ether-type polyurethane-degrading micro-organism and analysis of degradation mechanism bysp. J Appl Microbiol, 2010, 108(6): 1946?1953.

[17] Russell JR, Huang J, Anand P, et al. Biodegradation of polyester polyurethane by endophytic fungi. Appl Environ Microbiol, 2011, 77(17): 6076?6084.

[18] Mathur G, Prasad R. Degradation of polyurethane by(ITCC 6051) isolated from soil. Appl Biochem Biotechnol, 2012, 167(6): 1595?1602.

[19] álvarez-Barragán J, Domínguez-Malfavón L, Vargas-Suárez M, et al. Biodegradative activities of selected environmental fungi on a polyester polyurethane varnish and polyether polyurethane foams. Appl Environ Microbiol, 2016, 82(17): 5225?5235.

[20] Khan S, Nadir S, Shah ZU, et al. Biodegradation of polyester polyurethane by. Environ Pollut, 2017, 225(1): 469?480.

[21] Osman M, Satti SM, Luqman A, et al. Degradation of polyester polyurethane bysp. strain S45 isolated from soil. J Polym Environ, 2017: 1?10.

[22] Kay MJ, Morton LHG, Prince EL. Bacterial degradation of polyester polyurethane. Int Biodeterior, 1991, 27(2): 205?222.

[23] Kay MJ, Mccabe RW, Morton LHG. Chemical and physical changes occurring in polyester polyurethane during biodegradation. Int Biodeterior Biodegradation, 1993, 31(3): 209?225.

[24] Jansen B, Schumacher-Perdreau F, Peters G, et al. Evidence for degradation of synthetic polyurethanes by. Zentralbl Bakteriol, 1991, 276(1): 36?45.

[25] Nakajimakambe T, Onuma F, Kimpara N, et al. Isolation and characterization of a bacterium which utilizes polyester polyurethane as a sole carbon and nitrogen source. FEMS Microbiol Lett, 1995, 129(1): 39?42.

[26] Nakajima-Kambe T, Onuma F, Akutsu Y, et al. Determination of the polyester polyurethane breakdown products and distribution of the polyurethane degrading enzyme of, strain TB-35. J Food Sci Technol, 1997, 83(5): 456?460.

[27] Ii RCB, Norton WN, Howard GT. Adherence and growth of aspecies on an insoluble polyester polyurethane. Int Biodeterior Biodegradation, 1998, 42(1): 63?73.

[28] Howard GT, Blake RC. Growth ofon a polyester–polyurethane and the purification and characterization of a polyurethanase– protease enzyme. Int Biodeterior Biodegradation, 1998, 42(4): 213?220.

[29] Howard GT, Ruiz C, Hilliard NP. Growth ofon a polyester–polyurethane and the purification and characterization of a polyurethanase–esterase enzyme. Int Biodeterior Biodegradation, 1999, 43(1/2): 7?12.

[30] Howard GT, Vicknair J, Mackie RI. Sensitive plate assay for screening and detection of bacterial polyurethanase activity. Lett Appl Microbiol, 2001, 32(3): 211–214.

[31] Rowe L, Howard GT. Growth ofon polyurethane and the purification and characterization of a polyurethanase-lipase enzyme. Int Biodeterior Biodegradation, 2002, 50(1): 33?40.

[32] Howard GT, Burks T. Growth ofP7 on polyurethane and the purification and characterization of a polyurethanase enzyme. Biodegradation, 2012, 23(4): 561?573.

[33] Oceguera-cervantes A, Carrillogarcía A, López N, et al. Characterization of the polyurethanolytic activity of twosp. strains able to degrade polyurethane and n-methylpyrrolidone. Appl Environ Microbiol, 2007, 73(19): 6214?6223.

[34] Pérez-Lara LF, Vargas-Suárez M, López-Castillo NN, et al. Preliminary study on the biodegradation of adipate/phthalate polyester polyurethanes of commercial-type bysp. BQ8. J Appl Polym Sci, 2016, 133(6): 42992.

[35] Gautam R, Bassi AS, Yanful EK, et al. Biodegradation of automotive waste polyester polyurethane foam usingATCC55729. Int Biodeterior Biodegradation, 2007, 60(4): 245?249.

[36] Nair S, Kumar P. Molecular characterization of a lipase-producingstrain (NMSN-1d) utilizing colloidal water-dispersible polyurethane. World J Microbiol Biotechnol, 2007, 23(10): 1441?1449.

[37] Shah AA, Hasan F, Akhter JI, et al. Degradation of polyurethane by novel bacterial consortium isolated from soil. Ann Microbiol, 2008, 58(3): 381?386.

[38] Shah Z, Gulzar M, Hasan F, et al. Degradation of polyester polyurethane by an indigenously developed consortium ofandspecies isolated from soil. Polym Degrad Stab, 2016, 134: 349?356.

[39] Shah Z, Hasan F, Krumholz L, et al. Degradation of polyester polyurethane by newly isolated, strain MZA-85 and analysis of degradation products by GC–MS. Int Biodeterior Biodegradation, 2013, 77(2): 114?122.

[40] Shah Z, Krumholz L, Aktas DF, et al. Degradation of polyester polyurethane by a newly isolated soil bacterium,strain MZA-75. Biodegradation, 2013, 24(6): 865?877.

[41] Peng YH, Shih YH, Lai YC, et al. Degradation of polyurethane by bacterium isolated from soil and assessment of polyurethanolytic activity of astrain. Environ Sci Pollut Res, 2014, 21(16): 9529?9537.

[42] Nakkabi A, Sadiki M, Fahim M, et al. Biodegradation of Poly(ester urethane)s by. Int J Environ Res, 2015, 9(1): 157?162.

[43] Nakkabi A, Sadiki M, Ibnssouda S, et al. Biological degradation of polyurethane by a newly isolated wood bacterium. Int J Recent Adv Multidis Res, 2015, 2: 222?225.

[44] Peng RT, Qin LF, Yang Y. Biodegradation of polyurethane by the spacecraft-inhabiting bacterium [C]. China Society of Biotechnology Young Scientists Forum Ⅱ. 2017. (in Chinese)彭瑞婷, 秦利鋒, 楊宇. 載人航天器下行細(xì)菌對(duì)聚氨酯塑料的分解作用[C]. 中國(guó)生物工程學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì). 2017.

[45] Phua SK, Castillo E, Anderson JM, et al. Biodegradation of a polyurethane. J Biomed Mater Res, 1987, 21(2): 231?246.

[46] Santerre JP, Labow RS, Adams GA. Enzyme-biomaterial interactions: effect of biosystems on degradation of polyurethanes. J Biomed Mater Res, 1993, 27(1): 97?109.

[47] Santerre JP, Labow RS, Duguay DG, et al. Biodegradation evaluation of polyether and polyester- urethanes with oxidative and hydrolytic enzymes. J Biomed Mater Res, 1994, 28(10): 1187?1199.

[48] Labow RS, Erfle DJ, Santerre JP. Elastase-induced hydrolysis of synthetic solid substrates: poly (ester-urea- urethane) and poly (ether-urea-urethane). Biomaterials, 1996, 17(24): 2381?2388.

[49] Akutsu Y, Nakajima-Kambe T, Nomura N, et al. Purification and properties of a polyester polyurethane- degrading enzymefromTB-35. Appl Environ Microbiol, 1998, 64(1): 62?67.

[50] Nomura N, Shigeno-Akutsu Y, Nakajima-Kambe T, et al. Cloning and sequence analysis of a polyurethane esterase ofTB-35. J Ferment Bioeng, 1998, 86(4): 339?345.

[51] Vega RE, Main T, Howard GT. Cloning and expression inof a polyurethane-degrading enzyme from. Int Biodeterior Biodegradation, 1999, 43(1/2): 49?55.

[52] Ruiz C, Howard GT. Nucleotide sequencing of a polyurethanase gene (pulA) from. Int Biodeterior Biodegradation, 1999, 44(2/3): 127?131.

[53] Allen AB, Hilliard NP, Howard GT. Purification and characterization of a soluble polyurethane degrading enzyme from. Int Biodeterior Biodegradation, 1999, 43(1/2): 37?41.

[54] Howard GT, Ruiz C, Hilliard NP. Growth ofon a polyester–polyurethane and the purification and characterization of a polyurethanase–esterase enzyme. Int Biodeterior Biodegradation, 1999, 43(1/2): 7?12.

[55] Ruiz C, Main T, Hilliard NP, et al. Purification and characterization of two polyurethanase enzymes from. Int Biodeterior Biodegradation, 1999, 43(1/2): 43?47.

[56] Stern RV, Howard GT. The polyester polyurethanase gene (pueA) fromencodes a lipase. FEMS Microbiol Lett, 2000, 185(2):163.

[57] Howard GT, Crother B, Vicknair J. Cloning, nucleotide sequencing and characterization of a polyurethanase gene (pueB) from. Int Biodeterior Biodegradation, 2001, 47(3): 141?149.

[58] Gautam R, Bassi AS, Yanful EK, et al.lipase-catalyzed polyurethane degradation in aqueous medium. Biotechnol Lett, 2007, 29(7): 1081?1086.

[59] Howard GT, Norton WN, Burks T. Growth ofP7 on polyurethane and the purification and characterization of a polyurethanase enzyme. Biodegradation, 2012, 23(4): 561?573.

[60] Martens R, Domsch KH. Microbial degradation of polyurethane foams and isocyanate based polyureas in different media. Water Air Soil Pollut, 1981, 15(4): 503?509.

[61] Wang GB., Santerre JP, Labow RS. High-performance liquid chromatographic separation and tandem mass spectrometric identification of breakdown products associated with the biological hydrolysis of a biomedical polyurethane. J Chromatogr B, 1997, 698(1/2): 69?80.

[62] Cosgrove L, Mcgeechan PL, Handley PS, et al. Effect of biostimulation and bioaugmentation on degradation of polyurethane buried in soil. Appl Environ Microbiol, 2010, 76(3): 810?819.

[63] National Standard of the People’s Republic of China. GB/T 20197-2006. Define, classify, marking and degradability requirement of degradable plastic. 2007-01-01. (in Chinese)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn). GB/T 20197-2006. 降解塑料的定義、分類、標(biāo)志和降解性能要求. 2007-01-01.

[64] Kim YD, Kim SC. Effect of chemical structure on the biodegradation of polyurethanes under composting conditions. Polym Degrad Stab, 1998, 62(2): 343?352.

[65] Krasowska K, Janik H, Gradys A, et al. Degradation of polyurethanes in compost under natural conditions. J Appl Polym Sci, 2012, 125(6): 4252?4260.

[66] Zafar U, Houlden A, Robson GD. Fungal communities associated with the biodegradation of polyester polyurethane buried under compost at different temperatures. Appl Environ Microbiol, 2013, 79(23): 7313?7324.

[67] Zafar U, Nzeram P, Langarica-Fuentes A, et al. Biodegradation of polyester polyurethane during commercial composting and analysis of associated fungal communities. Bioresour Technol, 2014, 158(2): 374?377.

[68] Ohtaki A, Akakura N, Nakasaki K. Effects of temperature and inoculum on the degradability of poly-ε-caprolactone during composting. Polym Degrad Stab, 1998, 62(2): 279?284.

(本文責(zé)編 郝麗芳)

Microbial degradation of polyurethane plastics

Ruiting Peng1, 2, Mengli Xia2, Jiakang Ru2, Yixin Huo2, and Yu Yang2

1 School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China 2 School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

Plastic pollution has become a global environmental issue, making it necessary to explore the environmental disposal technology for plastic waste. Recently, we and other researchers have individually found microorganisms or enzymes from nature that can degrade synthetic plastic. These findings indicated that the capability of these microorganisms or enzymes to degrade plastic could be used for the disposal of plastic waste. Polyurethane (PUR) was one of the most used general plastic and its plastic waste occupied 30% of the total volume of different plastic waste. This review tried to provide a comprehensive summary of the researches on microbial degradation of PUR plastic in the past 70 years since its invention, and focused on the PUR-degrading fungi, bacteria, genes or enzymes, degradation products and the corresponding biological disposal technologies. We finally proposed the key scientific challenges on the development of high efficient biological disposal for PUR waste in the perspective researches.

plastic pollution, polyurethane, microbial degradation, depolymerase, biotreatment

December 29, 2017;

May 2, 2018

Young Elite Scientist Sponsorship Program of the China Association of Science and Technology (No. 2017QNRC001), National Natural Science Foundation of China (No. 51603004).

Yu Yang. Tel/Tax: +86-10-68911329; E-mail: yooyoung@bit.edu.cn

10.13345/j.cjb.170532

中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)青年人才托舉工程項(xiàng)目 (No. 2017QNRC001)，國(guó)家自然科學(xué)基金 (No. 51603004) 資助。