聚氨酯生物降解研究回顧與展望*

吳 凱 劉玉存 胡 菲

(1.山西警察學院爆炸物品公共安全研究中心 山西太原 030401) (2.中北大學環(huán)境與安全工程學院 山西太原 030051)

聚氨酯材料自問世以來獲得廣泛應用,隨之也產生了大量危害環(huán)境的廢棄物。該類廢棄物的無害化處理,一直都是聚氨酯研究領域的一個重要方向。掩埋、焚燒及通過各種物理或化學手段回收是當前運用或研究較多的處理方法[1]。在注重綠色環(huán)保、節(jié)能低耗的今天,利用微生物代謝過程,以聚氨酯為碳源,使之降解轉化或被消化吸收的生化技術愈來愈受到重視。

本文就發(fā)現(xiàn)聚氨酯生物可降解性50余年來國內外有關聚氨酯生物降解的研究進行了分析,并對今后應著重探索的關鍵問題進行了展望,以期對后續(xù)研究有所啟發(fā)并提供參考。

1 國外聚氨酯生物降解研究

自發(fā)現(xiàn)某些微生物可以在聚氨酯表面定植、生長以來,國外生物降解聚氨酯相關研究已取得很多成果,相應的效用菌、降解機理、降解效果,甚至產生特異性分解酶的基因序列及改造技術均已有較廣泛的報道。

Kanavel等[2](1966)在研究已硫化的聚氨酯生物老化行為時,觀察到聚氨酯可被真菌侵襲。特別是聚酯型聚氨酯,即使配方中加入抑菌劑,表面仍會生長一些真菌,而且暴露于真菌環(huán)境中,聚氨酯物理性能將受到一定影響。值得一提的是,這是首度發(fā)現(xiàn)聚氨酯的生物可降解性。

Darby等[3](1968)研究了聚酯型與聚醚型聚氨酯被真菌侵蝕的敏感度,表明聚酯型更易受到真菌攻擊,聚醚型具有一定程度的真菌抗性。原因是聚酯型聚氨酯分子中含大量極性基團,尤其是酯基對水較敏感,可增強聚氨酯的親水性,在真菌作用下易水解斷鍵進而引起聚氨酯分解。

Tokiwa等[4](1974)在聚氨酯生產工廠的土壤中分離出可降解聚氨酯前體聚合物(PEA，Mn=3 000)的青霉菌。

Phua等[5](1987)研究了醫(yī)用聚酯型聚氨酯在木瓜蛋白酶與脲酶作用下的降解過程,表明木瓜蛋白酶能使氨基甲酸酯基與脲鍵水解產生游離胺與羥基,而脲酶活性僅限于聚氨酯表面,并提出蛋白水解酶是氨基甲酸酯基生物降解的關鍵所在。

Kay等[6](1991)研究了16種細菌對聚酯型聚氨酯的降解能力,表明所有細菌均不能單以聚氨酯為碳源生長,但向培養(yǎng)基中補充酵母粉(或膏)后,棒狀桿菌與銅綠假單胞菌可存活并存在降解行為。棒狀桿菌侵蝕后的聚氨酯傅里葉轉換紅外光譜(FT-IR)表明,酯基是主要的受攻擊部位。

Crabbe等[7](1994)在土壤中加入聚酯型聚氨酯馴化微生物,分離出4種對聚氨酯有降解效用且可以聚氨酯為唯一碳源的菌種,即彎孢菌、鐮刀菌、短梗霉及枝孢霉。其中,彎孢菌降解活性最高,二乙酸熒光素水解測試顯示其可分泌酯酶特性的胞外聚氨酯酶,通過硫酸銨分級分離法純化提取,分子量28 kDa,100 ℃下可穩(wěn)定10 min,易被苯甲基磺酰氟抑制。

Nakajima-Kambe等[8](1995)從土壤中分離出可降解聚二乙二醇己二酸酯二元醇與2,4-甲苯二異氰酸酯為原料合成的聚酯型聚氨酯的食酸叢毛單胞菌。當聚氨酯固體小立方塊作唯一碳源時,7 d后完全降解,而當作唯一碳源與氮源時,降解率48%,分解產物主要來自聚合物的聚酯鏈段,產物為二甘醇、三羥甲基丙烷及己二酸。

Akutsu等[9](1998)對食酸叢毛單胞菌的研究表明其可分泌兩種可溶性酯酶,一種胞外酶與一種起膜結合作用的胞內酶。其中,膜結合酶是催化聚酯型聚氨酯降解的關鍵,最佳的降解pH值為6.5,溫度45 ℃。該酶具有親油性的聚氨酯表面結合區(qū)域與一個催化區(qū)域。其中,表面結合區(qū)域在聚氨酯降解過程中有著重要作用,能夠將酶與聚氨酯表面結合,然后水解。

Volynskii等[10](2000)提出了一種聚氨酯硬段非酶解的降解機理——生物氧化。氧自由基可以從氨基甲酸酯的擴鏈結構中提取α-亞甲基氫原子,羥基自由基與鏈自由基結合形成高反應活性的羰基半縮醛,羰基半縮醛的氧化水解可導致高聚物鏈斷裂并形成不穩(wěn)定的氨基甲酸與羧酸端基,氨基甲酸脫羧容易形成游離胺,最終實現(xiàn)聚氨酯的降解。

Stachelek等[11](2006)通過分析聚氨酯分子結構后指出,聚酯型聚氨酯由于軟段中存在較多的酯基而更易于被生物酶降解,聚醚型聚氨酯則更易生物氧化而降解。

Howard[12](2002)在對聚氨酯生物降解進行全面綜述的基礎上,認為聚氨酯生物降解取決于聚合物的分子取向、結晶度及其分子鏈中的化學基團等,這些因素決定了降解酶系統(tǒng)的可及性。同時,歸納總結了已發(fā)現(xiàn)的聚氨酯降解酶類型,即膜結合胞內酯酶與可溶性胞外酯酶兩大類,兩者共同作用使細菌可接近并利用聚氨酯,進而發(fā)生降解。

Gu[13](2003)認為聚氨酯分子很長而且不是水溶性的,微生物在利用這些高分子,使之成為可代謝用碳源或氮源的生化過程中,必須首先進行一種前行為,即分泌胞外酶,解聚聚合物,生成短鏈或較小的分子,如低聚物、二聚體或其它單體。這些分子可穿過半透性的細菌外膜進入細胞內,作為直接可用的碳源或氮源。Premraj等[14](2005)通過實驗提出聚氨酯生物降解反應模型,得出相似結論:微生物首先附著在親水性聚合物表面,之后進入初級降解階段,分泌胞外酶,致使主鏈裂解,形成低分子量片段;再進入終解階段,低分子量化合物進一步被微生物以碳源代謝所用,轉為代謝產物或擴散到微生物體內被同化。

神戶敏明等[15](2006)報道了一種從土壤分離出的紅球菌能夠有效降解氨基甲酸酯基,16SrDNA測序表明其為馬紅球菌TB-60。在丁醇與甲苯二異氰酸酯合成的氨基甲酸酯化合物為唯一碳源底物的降解實驗中,該菌10 d將此化合物降解達60%,產物為甲苯二胺。因此,該菌可與能降解聚氨酯軟段聚酯中酯基的細菌如解淀粉類芽孢桿菌與食酸叢毛單胞菌聯(lián)合使用,完成對聚氨酯的細菌降解。

Cosgrove等[16](2007)研究了土壤中真菌對Impranil(聚酯型聚氨酯清漆)的生物降解。通過對比已知的降解真菌與土壤天然菌落,表明有少數(shù)種類的聚氨酯降解菌普遍存在于酸性與中性土壤中。從埋于兩種土壤的Impranil表面分別分離出降解菌氈狀地絲霉與莖點霉,均能實現(xiàn)對Impranil的良好降解。隨后的研究還發(fā)現(xiàn),在土壤中加入了酵母粉(膏)與Impranil共作碳源,降解具有更優(yōu)的效果。與此同時,對在土壤中外加已知降解真菌、構建復合菌群進行了研究,表明移植毛藻叢赤殼菌、綠純青霉、赭綠青霉、毛霉屬真菌于土壤后,與已有菌種共同作用,對Impranil降解率提高了30%～70%。

Russell等[17](2011)從番石榴莖干中分離到一株植物內生真菌,該菌為擬盤多毛孢屬,在厭氧與好氧條件下均能以Impranil為唯一碳源,2周內降解率達99%。酶學分析表明,該菌分泌的絲氨酸水解酶對降解有著關鍵作用。這與Akutsu關于聚氨酯酶的研究結果有類似之處。

Roshnee等[18](2013)在土壤中掩埋聚酯型聚氨酯薄膜,2個月后,從薄膜上分離出微球菌、棒狀桿菌、惡臭假單胞菌、地中海假單胞菌,4者皆可以聚氨酯為唯一碳源。薄膜降解實驗表明它們分泌的酯酶在聚氨酯降解中的活性。十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)顯示該酯酶分子量62 kDa。氣質聯(lián)用測試(GC-MS)表明,惡臭假單胞菌的降解產物主要為鄰苯二甲酸、1.2-苯二甲酸、鄰苯二甲酸二丁酯及二十烷與二十六烷。

Eddie等[19](2014)研究了堆肥、厭氧消化及土壤培養(yǎng)條件下,分別由粗制甘油基與石油基多元醇作軟段制得聚氨酯泡沫的生物降解性。結果表明,3種條件下,兩種聚氨酯泡沫的降解率均未超過10%。土壤培養(yǎng)的320 d內,由100%粗制甘油基多元醇制成的聚氨酯比石油基降解速率更快。堆肥的50 d后,掃描電鏡(SEM)分析表明甘油基多元醇聚氨酯表面變得粗糙;熱重分析(TGA)表明其熱分解性能發(fā)生了顯著變化,顯示出更高的熱穩(wěn)定性,說明微生物作用使聚氨酯結構改變,可能是氨基甲酸酯基含量降低造成;逸出氣體-質譜聯(lián)用(EGA-MS)分析表明,降解更多是由于多元醇形成的軟段即酯鏈段分解;FT-IR分析同樣表明,酯鏈段是微生物侵襲的首選部位。而在石油基聚氨酯堆肥過程中,分析發(fā)現(xiàn)氨基甲酸酯基與酯鏈段幾乎沒有降解。

Peng等[20](2014)從農田土壤與活性污泥中分離出具有較高聚氨酯降解活性的惡臭假單胞菌,4 d內降解Impranil 92%。高效降解的最適溫度與pH值分別為25 ℃和8.4。FT-IR表明,Impranil的降解與轉化過程中酯基減少,酰胺基出現(xiàn)。酶學分析檢測到酯酶的存在,該酶具有聚氨酯分解活性,分子量45 kDa。

Khan等[22](2017)報道了塔賓曲霉對聚酯型聚氨酯的降解,研究了其在沙氏瓊脂培養(yǎng)基、基礎鹽培養(yǎng)基及土壤中的降解能力。該菌可在聚氨酯薄膜表面定植、生長,促使產生的酶與聚氨酯發(fā)生生化反應,破壞其化學鍵,切斷高聚物分子鏈,在自然環(huán)境中能使難降解的塑料在2周內出現(xiàn)明顯的生物降解跡象,在液體培養(yǎng)基中可將聚氨酯薄膜在2個月內降解完全。

Lopez等[23](2018)評價了以聚己內酯二醇與六亞甲基二異氰酸酯制備的聚氨酯及其加入賴氨酸封端的改性聚氨酯在堆肥條件下的生物降解性。分解失重測試顯示,兩者沒有明顯差異,均在50 d左右降解完全,且過程具有同步性。FT-IR測試表明,兩者降解后,結構中羥基濃度增高,并生成羧酸根離子,而且賴氨酸改性聚氨酯羥基生成量更多。這歸因于賴氨酸嵌段具有更好的親水性。SEM測試顯示,改性聚氨酯降解跡象明顯,膜纖維結構更粗糙,孔隙率更高。

2 國內聚氨酯生物降解研究

國內聚氨酯生物降解的研究更側重于生物可降解型聚氨酯材料的制備,期望以生物基聚氨酯直接替代傳統(tǒng)聚氨酯,從而在源頭上解決聚氨酯廢棄物難以生物降解的處理難題。然而,實際生產中大量使用的聚氨酯材料仍就是傳統(tǒng)石油基與化工中間體合成類型,其廢棄量很大,與之鮮明對比的是有關該類聚氨酯生物降解機理、過程、規(guī)律的研究缺乏深入性、廣泛性和系統(tǒng)性,一定程度上未得到充分重視,尚處于介紹國外研究經(jīng)驗、參照國外研究初探的階段。

于俊林等[25](2006)采用多代分級馴化方法,首先分別以聚氨酯合成原料聚丙二醇、聚丁二醇3000及聚四乙撐醚2000為碳源培養(yǎng)獲得優(yōu)勢菌若干,再以聚醚型聚氨酯為碳源繼續(xù)馴化優(yōu)勢菌,最終得到30 d聚氨酯顆粒分解率達40%的兩種細菌,真菌則未篩出。在以聚氨酯為唯一碳源培養(yǎng)所篩細菌實驗中,粗酶液SDS-PAGE顯示僅分子量48 kDa處存在酶條帶,表明對應蛋白質在聚氨酯降解中可能發(fā)揮了重要作用。

董飛逸等[26](2015)采用土埋法研究了不同軟段聚氨酯的生物降解性。分別以聚左旋乳酸、聚ε-己內酯、聚碳酸亞丙酯、聚己二酸丁二醇酯、聚四氫呋喃為軟段原料合成了聚氨酯。SEM及質量保留率分析表明,5種聚氨酯生物降解性能差異明顯,聚左旋乳酸型聚氨酯與聚ε-己內酯型聚氨酯的生物降解能力最高,聚碳酸亞丙酯型聚氨酯與聚己二酸丁二醇酯型聚氨酯次之,聚四氫呋喃型聚氨酯最低。

彭瑞婷等[27](2017)從載人航天器的冷凝水中分離到一株芽孢桿菌,該菌能在含Impranil平板上產生透明水解圈,并能以聚酯型聚氨酯薄膜作唯一碳源生長,60 d內使重量損失達到19%。

閆華等[28](2018)分析了微生物對聚氨酯的作用過程、結果及影響因素,歸納了生物降解機理,認為存在生物酶解與生物氧化兩種降解機制,且聚酯型偏向于酶促分解,聚醚型偏向于氧化分解。另外,真菌與細菌的作用方式也不相同,真菌降解始于菌體附著聚氨酯后菌絲生長對聚氨酯表面的物理破壞,然后分泌水解酶切斷分子鏈,細菌則是首先分泌胞內酯酶將自身與聚氨酯相連,進而分泌胞外蛋白酶、尿素酶切斷分子鏈。兩者的結果均是使聚氨酯大分子裂解成為可被微生物直接代謝利用的小分子,完成降解過程。

3 總結與展望

自發(fā)現(xiàn)聚氨酯生物可降解性至今已50年有余,研究人員獲得了不少有價值的發(fā)現(xiàn),期間被分離、純化的降解效用菌達數(shù)十種,但適合于工程的寥寥無幾,也就造成生物降解技術至今無法實際應用于聚氨酯廢料回收處理。同時,當前作為生物降解研究對象的聚氨酯材料多為線型結構或水分散型,對非溶解性體型結構聚氨酯缺乏針對性探究,換句話說,也就是極大可能出現(xiàn)已篩選出的效用菌無法降解高聚合度聚氨酯。另外,已知能夠降解氨基甲酸酯基的效用菌種類極少,多數(shù)效用菌僅對聚氨酯軟段結構有降解作用?？梢?聚氨酯生物降解技術仍就是一個潛力巨大的研究領域,基礎研究工作仍需深入。

基于此,為實現(xiàn)聚氨酯廢棄物高效生物處理,今后的研究中,作者認為應著力于以下幾個關鍵問題:

(1)通過由小分子氨基甲酸酯化合物向線型聚氨酯再向體型聚氨酯的碳源過度,逐步篩選、馴化對氨基甲酸酯基、脲基等硬段結構具有較好降解作用的微生物,實現(xiàn)真正意義上的聚氨酯生物降解。

(2)通過基因工程培育出對聚氨酯軟、硬段結構同時具備降解能力的效用菌,或通過復合菌群構建技術,利用多種微生物的協(xié)同作用,實現(xiàn)聚氨酯降解過程的強化。

(3)重視效用菌篩選、降解效果、降解機理研究的同時,兼顧實際應用工程研發(fā)方面,探索可行、有效的生物處理技術系統(tǒng)。