塑料的微生物降解

曹瀟文 高馨竹

摘? 要：塑料在人們的日常生活中隨處可見，為我們帶來了便利，但塑料廢品在自然條件下難以降解，也給環(huán)境帶來了巨大壓力。利用微生物降解是目前處理塑料廢物而且對環(huán)境資源友好的措施之一?，F(xiàn)從微生物降解塑料的基本概念、相關(guān)原理，塑料降解菌的種類，微生物降解塑料具體應(yīng)用及研究技術(shù)的發(fā)展等方面進行分析并根據(jù)當下生物技術(shù)等的發(fā)展情況提出展望。

關(guān)鍵詞：塑料? 微生物? 降解? 環(huán)境污染

中圖分類號：x50;x172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（c）-0075-03

Abstract： Plastic can be seen everywhere in people's daily life， which brings us convenience. However， plastic waste is difficult to degrade under natural conditions， which also brings great pressure to the environment. The use of microbial degradation is one of the current measures to deal with plastic waste， and it is friendly to environmental resources. Now it is analyzed from the basic concepts and related principles of microbial degradation of plastic， the types of plastic degradable bacteria， the specific application of microbial degradation of plastic and the development of research technology， and puts forward the prospect according to the development of biotechnology.

Key Words： Plastics; Microorganism; Degradation; Environmental pollution

塑料多為聚苯乙烯等高分子化合物制成，化學性質(zhì)十分穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)多變，在自然條件下分解困難，長期積累的問題難以解決。隨著塑料產(chǎn)量和使用量的增加，估計每年有500～1364萬t塑料進入海洋，對65個不同的生態(tài)系統(tǒng)以及人和動物的健康造成負面影響。

目前學術(shù)界嘗試通過培養(yǎng)合適的微生物，來完成塑料的生物降解，通過微生物降解能耗低且產(chǎn)生環(huán)境友好型降解終產(chǎn)物，是目前主要解決塑料污染的方法之一。

1? 基本概念和相關(guān)原理

微生物降解塑料主要是指一類由自然界存在的微生物如細菌、霉菌（真菌）的作用而引起塑料成分的分解，產(chǎn)生無毒害產(chǎn)物回歸大自然參與到碳素循環(huán)[1]。微生物降解的塑料主要分為兩種：一種是生物質(zhì)塑料，利用淀粉、碳源等植物可再生資源經(jīng)過化學反應(yīng)產(chǎn)生的不同結(jié)構(gòu)聚合物為原料生產(chǎn)出來，如聚乳酸（PLA）、聚羥脂肪酸酯（PHA）等;另一種生物可降解型塑料，是以石油為主要原料生產(chǎn)出來，如聚己內(nèi)酯（ PCL）、聚乙烯醇（PVA）等[1]。

一般來說，微生物降解塑料是微生物釋放的多種酶，如脂酶、解聚酶、酯酶、蛋白酶K（能降解聚乳酸）、角質(zhì)酶、脲酶和脫水酶等，與塑料表面特異性受體結(jié)合，水解或氧化高分子是成為分子量小于500的脂肪酸或脂類物質(zhì)，這些低聚物或其降解產(chǎn)物將進入微生物體內(nèi)，通過經(jīng)典的降解途徑產(chǎn)生能量或作為分解代謝或新陳代謝的基石，最終分解為水和二氧化碳[2]。

許多塑料降解菌釋放的降解酶是從植物聚合物降解酶進化而來的，這類酶能夠攻擊合成塑料的聚合物骨架。例如，角質(zhì)酶可以水解角質(zhì)，參與木質(zhì)素代謝的幾種酶也參與了低密度聚乙烯（LDPE）的降解[3]。

2? 降解塑料的微生物

目前對塑料降解微生物的研究主要針對于陸地和近海，有30多個屬的細菌真菌在陸地環(huán)境中的研究中被報道，它們主要為PET降解菌：鏈球菌屬（Streptococcus）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、葡萄球菌屬（Staphylococcus）、芽孢桿菌屬（Bacillus）等;PE降解菌：代爾夫特菌屬（Delftia）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、寡養(yǎng)單胞菌屬（Stenotrophomonas）、無色菌屬（Achromobacter）與叢毛單胞菌屬（Comamonas）等;還有其他不同塑料種類的不同降解菌。表1大體總結(jié)了目前已報導(dǎo)的來自各種生境的某幾類塑料的主要降解細菌和真菌的相關(guān)信息[4]。

3? 微生物降解塑料具體應(yīng)用

3.1 海洋微塑料的微生物降解

目前大量的塑料垃圾在近海、大洋水體和沉積物中均廣泛存在，全球每年約有1億多t塑料垃圾埋進填埋場，1.5億t進入陸地、湖泊、海岸線、大洋表面、海底乃至深淵，塑料垃圾約占海洋固體廢物的80%。進入海洋的塑料會逐漸碎片化，較大的塑料破碎成微米和納米級的塑料小塊（MP，尺寸小于5mm;NP，尺寸小于0.1μm），以微塑料的形式存在與大洋中[5]。

海洋微生物首先接觸塑料，在其表面形成生物膜，后再降解塑料垃圾。大洋深海是天然多聚物及塑料等難降解多聚物沉積之地，也是許多大分子多聚物降解菌棲息的場所。但這類降解菌很難被人工培養(yǎng)，可以從降解基因入手，利用高通量測序獲得的數(shù)據(jù)進行下一步研究。目前有關(guān)海洋的塑料降解菌的報道還較少，研究主要集中在近海菌體的富集分離工作，其中包括PE、PP、PVC等塑料降解菌，如假單胞菌屬（Pseudomonas）、短小芽孢桿菌（Bacilluspumilus）、枯草芽孢桿菌（Bacillussubtilis）等[6]。有研究發(fā)現(xiàn)某些海洋多毛動物可以啃食PE塑料泡沫，產(chǎn)生微塑料，在缺乏營養(yǎng)的深海環(huán)境中，海洋軟體生物體內(nèi)是否有可以降解塑料的微生物是人類需要進一步探索的問題。

3.2 石油基塑料的微生物降解

常見的聚對苯二甲酸乙二醇酯 （PET）、聚乙烯 （PE）、聚苯乙烯 （PS）、聚丙烯 （PP）、聚氯乙烯 （PVC）、聚氨酯 （PUR） 等都屬于石油基塑料[7]。石油基塑料一般具有高疏水性、高化學鍵能以及高分子量的特點而很難被微生物降解。目前發(fā)現(xiàn)的有降解能力的微生物仍較少且降解效率較低，在此方面的研究主要致力于微生物資源的找尋，降解機理的研究，塑料降解微生物的關(guān)鍵基因與關(guān)鍵酶。

聚苯乙烯塑料 （PS） 微生物降解：PS材料具有很強的耐性及不易降解性，科學家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了不同屬的微生物有降解PS的能力但效率都較慢（見表1）。最近據(jù)報道，無脊椎動物可以降解不同的塑料，黃粉蟲腸道中的檸檬酸桿菌屬（Citrobacter）和黃粉菌屬（Kosakonia）細菌是PE和PS的主要降解者，昆蟲腸道細菌的發(fā)現(xiàn)為以后PE等降解的研究帶來了新思路。

聚氨酯塑料（PUR）微生物降解[8]：目前降解PUR塑料的微生物大都是從垃圾場或土壤中分離得出，多可降解聚酯型PUR，對于聚醚型效果較差，還需開發(fā)改進更多分離篩選方法，從更多場所獲取多類型菌株;目前只獲得了4種來自細菌的PUR降解基因且只有長鏈分子分解酶被關(guān)注，真菌來源基因與其他酶類基本未見報道;不同狀態(tài)塑料包括非水溶態(tài)、凝聚態(tài)等對降解效率的影響需深入研究。

聚氯乙烯塑料（PVC）微生物降解：作為生產(chǎn)頻率第三的聚合物[2]，有巨大的全球產(chǎn)量。但幾乎沒有關(guān)于這種聚合物的微生物降解的可靠信息。只有幾個報告描述了使用混合物種微生物群落的PVC降解情況，但這些報告很可能被化學添加劑而不是聚合物的降解所誤導(dǎo)。這種高分子聚合物的降解沒有明確的酶或途徑是已知的。

3.3 聚乳酸塑料的微生物降解

聚乳酸，即聚丙交酯（PLA），是一種合成高分子材料，有優(yōu)秀的生物可降解性[9]。以從植物中提取的淀粉為原料，經(jīng)過酶分解、乳酸菌發(fā)酵、化學提純后得到的良好生物相容性的高純度聚乳酸。聚乳酸制品廢棄后埋在地下，經(jīng)微生物降解之后變成二氧化碳、有機肥料等，回歸到大自然。

4? 微生物塑料降解研究技術(shù)的發(fā)展

隨著新的塑料降解菌和相應(yīng)酶的發(fā)現(xiàn)及針對提高特定塑料降解酶的催化效率的研究，已經(jīng)得到了人們的極大關(guān)注，但微生物降解塑料這一生物過程仍有一主要瓶頸：極慢的生物降解率。未來可以在利用物理和化學工藝促進塑料生物降解，蛋白質(zhì)工程提高塑料降解酶的催化活性，以及在豐富的微生物群落中發(fā)展共養(yǎng)和交叉喂養(yǎng)機制這兩方面提高生物降解率[5]。

在自然界中，塑料的生物降解不是發(fā)生在微生物和聚合物之間的孤立現(xiàn)象，而是一個復(fù)雜的多因素參與事件。非生物因素與生物因素在塑料碎裂中都起著重要作用[10]。通過改善塑料的親水性、縮短聚合物鏈長、減少結(jié)晶區(qū)的數(shù)量、促進更多可用的易碎鍵（如酯或酰胺）對抗碳碳鍵，可以提高塑料的生物降解性，此外還有預(yù)處理、與高度可生物降解的聚合物混合以及使用生物表面活性劑等策略。

隨著遺傳工程和合成生物學的興起，通過基因工程、蛋白質(zhì)工程等菌種改良來擴大微生物在降解塑料中的使用。構(gòu)建工程菌過度表達編碼塑料降解酶的基因，或者通過合理的蛋白質(zhì)設(shè)計或定向進化，比如對酶的氨基酸序列進行修飾以提高催化效率是方法之一。定向進化包括對微生物施加選擇壓力，誘導(dǎo)各種形式的隨機突變，篩選使蛋白質(zhì)以所需方式改變的基因變化，篩選高效降解酶基因。

在自然生態(tài)系統(tǒng)中，沒有任何有機體生活在絕對孤立的環(huán)境中[5]。微生物之間表現(xiàn)出復(fù)雜的相互作用，從互惠、共生、交叉喂養(yǎng)機制（代謝協(xié)作）到拮抗、捕食和寄生。對資源和空間的競爭可能會導(dǎo)致有毒化合物的分泌，但也可能導(dǎo)致合作形式，從而更有效地開發(fā)資源。強化的微生物混合群落產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的能力，可以幫助降解復(fù)雜和頑固的底物。

5? 展望

面對如此嚴重的“白色污染”問題，采用微生物學手段解決是當下環(huán)境友好的、資源利用率較高的主要研究的方法。使用合成生物學產(chǎn)生微生物，從塑料垃圾中產(chǎn)生高價值的可以循環(huán)利用的化合物將是未來的挑戰(zhàn)之一。獲得具有塑料降解活性的酶并將其用于從塑料垃圾中生產(chǎn)真正的生物聚合物是一項非常有價值的研究任務(wù)，降解后形成的單體和低聚物可以用來構(gòu)建增值產(chǎn)品，甚至可以用來制造新的可生物降解的聚合物。

微塑料已經(jīng)產(chǎn)生了幾十年，在陸地、水和空氣中廣泛傳播，如何檢測和處理環(huán)境中的微塑料，尤其是海洋中的微塑料，一直是一個難題，現(xiàn)在可以用生物技術(shù)來回答。海洋微塑料問題的一個解決方案是使用依賴于膜技術(shù)的系統(tǒng)和固定化塑料降解微生物或降解酶。此外，開發(fā)生物傳感器檢測、量化環(huán)境中的微塑料也是方法之一[3]。

參考文獻

[1] 程若瑤.微生物對塑料的降解[J].化工管理，2020（5）：101-102.

[2] 微生物降解塑料技術(shù)介紹[J].寧波化工，2017（3）：47-48.

[3] Danso D， Chow J， Streit W R. Plastics： Microbial Degradation， Environmental and? ? Biotechnological Perspectives[J]. Applied and environmental microbiology，2019：AEM. 01095-19.

[4] 邵宗澤，董純明，郭文斌，等.海洋微塑料污染與塑料降解微生物研究進展[J].應(yīng)用海洋學學報，2019，38（4）：490-501.

[5] Jenkins S， Quer A M， Fonseca C， et al. Microbial Degradation of Plastics： New Plastic Degraders， Mixed Cultures and Engineering Strategies[J]. Soil Microenvironment for Bioremediation and Polymer Production， 2019： 213-238.

[6] 徐翠.海洋微塑料污染及生物降解研究進展分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2020，17（2）：119-120.

[7] 許楹，殷超凡，岳紋龍，等.石油基塑料的微生物降解[J].生物工程學報，2019，35（11）：2092-2103.

[8] 彭瑞婷，夏孟麗，茹家康，等.聚氨酯塑料的微生物降解[J].生物工程學報，2018，34（9）：1398-1409.

[9] 潘招銀，蔡培展.聚乳酸：讓微生物降解塑料[J].廣州化工，2019，47（5）：11-12.

[10] 劉春.生物可降解塑料的開發(fā)進展[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2020（3）：60-63.