聚氯乙烯的生物學(xué)降解研究進展

胡浩然

（中南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖南長沙 410012）

1 PVC廢棄塑料危害

廢棄塑料污染是世界性難題，并日益嚴重。根據(jù)Plastics Europe[1]報道，2018年全球大約生產(chǎn)了3.59億噸塑料，以樹脂型塑料需求推算聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PU）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）合成塑料占塑料使用的80%左右。其中，PVC是使用最廣泛的塑料材料之一，約占總塑料使用量的10%，主要應(yīng)用于建材市場，詳見圖1。

在環(huán)境基質(zhì)中，PVC合成塑料降解得非常慢，產(chǎn)生了“白色污染”等環(huán)境問題[2]。PVC廢棄塑料會污染土壤和水源，被沖刷進入海洋后，還會隨著洋流漂流聚集，不僅影響海洋生物，破壞其棲息地生態(tài)系統(tǒng)，還會形成廢棄塑料“島嶼”或被沖上沙灘，造成環(huán)境污染，破壞生態(tài)景觀。而那些細小的塑料顆粒，通過食物鏈的層層傳遞甚至通過日常用水，最終進入人體內(nèi)，危害人體健康[3-4]。因此，在處理PVC廢棄塑料的同時，兼顧到環(huán)境保護，實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展，成了當下亟待解決的問題。

2 目前PVC廢棄塑料的主流處理方法

廢棄塑料處理方法主要有焚燒處理、掩埋處理、熱裂處理、降解處理和回收處理5種。目前對PVC廢棄塑料的處理也主要使用這5種方法?，F(xiàn)對這五種處理方法進行比較，結(jié)果如表1所示。

圖1 2017，2018年歐洲塑料需求量和及各塑料的主要應(yīng)用行業(yè)

表1 廢棄塑料處理方法比較

由于前4種方法在處理塑料廢物問題上都存在不同的問題，目前最好的處理應(yīng)該是回收再利用處理。而再利用處理有很多策略，包括直接再生利用、物理改性、化學(xué)改性等[6-7]。結(jié)合各策略的局限性，科學(xué)家越來越關(guān)注生物處理策略，通過生物酶或微生物可以降解塑料廢物，甚至回收塑料。

3 生物降解PVC國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 從自然環(huán)境中篩選具有降解功能的微生物

近年來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些能夠修飾或降解合成聚合物的微生物酶以及微生物生物催化劑在合成塑料PE、PS、PU和PET等降解中的作用，但對微生物降解PVC的國內(nèi)外研究仍然較少，研究現(xiàn)狀見表2。

真菌和細菌對PVC塑料都有降解作用，但真菌在降解過程中起主要作用。真菌對PVC塑料的降解效率一定程度上取決于其粘附性和菌絲的入侵性[13]。從實驗結(jié)果來看，菌群的降解作用比單一菌種更好[12]，推測原因可能為菌群擁有更豐富的胞外酶，且不同菌之間可能有相互促進的共生作用。PVC由于鏈中氯原子的存在而具有負電荷大分子，使得偶極-偶極相互作用，其表面親水性需要修飾，以允許生物相容性和細胞粘附，所以通常先對PVC進行預(yù)處理再讓微生物來降解。

表2 生物降解PVC國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.2 黃粉蟲腸道微生物降解塑料

陳重光首次發(fā)現(xiàn)黃粉蟲幼蟲能取食塑料泡沫，沈葉紅基于這一現(xiàn)象[14]，從取食聚苯乙烯塑料的黃粉蟲幼蟲腸道中分離出8種菌。Yang S S等人[15]收集了12個不同來源的黃粉蟲，對其分別進行了PS降解測試，從而驗證了黃粉蟲普遍降解PS的假設(shè)，同時觀察結(jié)果還為黃粉蟲腸道微生物菌群降解PS提供了新證據(jù)。Yang等人用對腸道菌群有抑制作用的抗生素慶大霉素培養(yǎng)黃粉蟲，發(fā)現(xiàn)黃粉蟲解聚長鏈PS、礦化PS的能力受到抑制，從而首次報道了黃粉蟲腸道內(nèi)存在PS降解細菌。并以聚苯乙烯泡沫塑料為唯一碳源飼養(yǎng)黃粉蟲，從其腸道中分離出13種純細菌，篩選出微小桿菌Exiguobacterium，證實其在PS表面的生長導(dǎo)致PS的降解，但是降解效果不如腸道內(nèi)[16]。Brandon A M等人[17]的實驗結(jié)果首次證實了PE在黃粉蟲腸道內(nèi)的降解且降解速率與PS飼養(yǎng)的黃粉蟲相當，從而證實了黃粉蟲對于塑料降解不具特異性。因此，應(yīng)將黃粉蟲作為降解PVC塑料的研究對象，這對于廢棄PVC污染的解決可能有幫助。

對于黃粉蟲降解PVC的研究報道并不多。有研究者發(fā)現(xiàn)只喂食PVC的黃粉蟲糞便晶體結(jié)構(gòu)與PVC存在差異，表現(xiàn)在3 500 cm-1和1 650 cm-1的水平變角振動范圍內(nèi)形成了一個新的O-H拉伸振動帶和一個O-H平面變角振動帶，或添加了兩個新的譜帶C=O和C-O伸縮振動[18]。曹沁[19]等成功在攝食PVC的黃粉蟲腸道中分離出6個菌種，其中PVC-4和PVC-6降解效果良好。

以黃粉蟲作為研究對象，篩選其腸道內(nèi)可降解塑料的微生物，相較于填埋法研究土壤中可降解塑料的微生物，具有降解速度更快、效果更顯著、變量方便控制等優(yōu)點。例如，在Yang等人[16]研究黃粉蟲降解PS的實驗中，24 h內(nèi)即可觀察到泡沫塑料被降解，16 d的時間47.7%被攝入的PS泡沫塑料被降解轉(zhuǎn)化為CO2。同時發(fā)現(xiàn)，飼養(yǎng)黃粉蟲的食物不同，黃粉蟲腸道內(nèi)的菌群也會有所不同，這有利于以PVC為唯一碳源篩選降解菌。在PS營養(yǎng)條件下存活并完成生長周期的黃粉蟲具有良好降解PS的能力，這為選擇性育種打開了大門[15]，表明可通過在PVC營養(yǎng)條件下養(yǎng)育黃粉蟲而選擇能良好降解PVC的黃粉蟲品種。

4 PVC生物降解機制

目前，對于PVC生物降解的機制研究并不多，大多都只是停留在篩選出某種菌對于PVC具有降解作用。因為PVC碳碳骨架的化學(xué)穩(wěn)定性和疏水性，目前還沒有直接參與其降解的酶的報道。唯一能找到可能對其有作用效果的酶是漆酶[20]。漆酶（EC1.10.3.2）是一類氧化還原酶，具有氧化酚類化合物的能力。自從1883年，首次從日本漆樹中提取出漆酶以來，人們就開始研究漆酶[21]。后又發(fā)現(xiàn)高含量的漆酶存在于很多真菌中，如Trametes sp、Cerrena maxima、Coriolopsis polyzona、Lentinus tigrinus等[22-24]，且參與了腐殖化過程，漆酶因此逐漸被開始應(yīng)用到生物技術(shù)中。目前，漆酶在分解木質(zhì)素、降解酚類物質(zhì)和有毒污染物中的應(yīng)用已較多[21]。Tirupati等人[20]用實驗評估了旋孢腔菌用漆酶降解PVC的能力，進行了一系列實驗確定此菌株產(chǎn)最大量漆酶的培養(yǎng)條件。在此條件下，以低分子量PVC為唯一碳源培養(yǎng)菌株，紅外光譜對比純PVC與菌株處理過的PVC，發(fā)現(xiàn)處理過的PVC雙鍵斷裂并產(chǎn)生了新的C=O鍵，結(jié)構(gòu)的變化顯示出PVC的降解。對比熱解后的PVC產(chǎn)物（表3），菌株處理后的PVC產(chǎn)物也有芳香族化合物的產(chǎn)生（圖2），進一步證明了PVC的降解。

圖2 真菌菌株處理后的PVC色譜串聯(lián)質(zhì)譜圖

表3 熱裂質(zhì)譜推測聚氯乙烯經(jīng)微生物處理后的產(chǎn)物

如圖3所示，結(jié)合已經(jīng)研究得比較清楚的PET系列酶分解途徑和漆酶實驗中所得到的小分子產(chǎn)物（圖2、表3），推測PVC在微生物酶作用下的分解途徑鏈。酶①是整個反應(yīng)的限速酶，主要將長鏈分裂為短鏈，相當于PET降解酶中的聚對苯二甲酸乙二醇酯乙烯水解酶（ISF6_4831）的作用[25]。不過ISF6_4831斷的是酯鍵，針對PVC斷的是C-C鍵，難度更大。目前尚無酶①被發(fā)現(xiàn)，漆酶可能起到酶①的作用，但具體機制未知，推測漆酶產(chǎn)物中的氧自由基可能對C-C鍵有攻擊作用。在降解效率高的菌種中分離純化鑒定酶①并解析其結(jié)構(gòu)是了解分解機制的關(guān)鍵。經(jīng)酶①反應(yīng)后得到的大量短鏈經(jīng)酶②降解成小分子，這里主要參考纖維素、木質(zhì)素等大分子的降解途徑推測。圖中小分子終點的乙二醇、乙醇可以通過草酰乙酸鹽代謝、乙酸代謝、乙醛酸代謝等途徑被微生物作為碳源利用；小分子可能性有很多，基本都可以通過已知途徑被微生物利用。在STITCH4.0數(shù)據(jù)庫中查找與氯乙烯互作的蛋白如圖4所示，他們的同源蛋白可能與聚氯乙烯的降解和途徑中小分子的降解有關(guān)[26]。

5 結(jié)語

PVC具有多種重要的技術(shù)應(yīng)用，在現(xiàn)代生活中使用越來越多。然而，由于氯化氫的釋放，使其大量堆積在垃圾填埋場或被大量焚燒，危害環(huán)境，其廢棄物的大量處理且不對環(huán)境造成污染成為目前亟待解決的問題?；诂F(xiàn)有研究，將PVC的生物降解運用于實際的可行思路并總結(jié)如下。

圖3 PVC生物降解途徑推測

圖4 氯乙烯互作蛋白網(wǎng)路

（1）繼續(xù)篩選高效菌種或通過基因工程提高已知菌種的降解能力，以菌群+預(yù)處理的PVC混入發(fā)酵罐的形式批量處理塑料。這個方案可以重點關(guān)注真菌菌群，因為已知真菌的降解能力優(yōu)于細菌，菌群的分解能力優(yōu)于單一菌種。其優(yōu)點為操作便捷，擴大規(guī)模快；其缺點是降解產(chǎn)物不利于回收，且發(fā)酵液中的pH、溫度、有害產(chǎn)物需要維持或處理。

（2）繼續(xù)探索降解通路中的幾個關(guān)鍵酶，在找到關(guān)鍵酶后可以通過定向酶誘變技術(shù)，提高各關(guān)鍵酶的活性，用酶包埋法降解預(yù)處理的PVC。其優(yōu)勢在于降解得到的小分子可以回收再利用，而且反應(yīng)環(huán)境容易控制；其不足為正常情況下包埋酶與PVC接觸面積較小，此時必須對PVC做進一步的預(yù)處理并使用PVC更具溶解性的反應(yīng)介質(zhì)。

（3）運用大動物取代微生物發(fā)揮作用。在前兩種方案中，主要著眼于細胞水平和分子水平來處理這個問題，但菌種或酶的制備及PVC的預(yù)處理都需要很大的財力物力，于是想到可以用大個體來處理PVC。以黃粉蟲為例，可以將高性能的PVC降解菌植入黃粉蟲體內(nèi)，黃粉蟲的咀嚼作用和前消化道的分泌液可以作為PVC的物化預(yù)處理，而黃粉蟲的腸道為分解菌群提供了良好穩(wěn)定的作用環(huán)境。

雖然目前已知的PVC降解菌和降解酶的效果都不盡如人意，但隨著降解機制的逐漸明確、菌種的不斷篩選和改良以及實用策略的應(yīng)用，相信不久的將來可以通過生物方案為廢棄PVC塑料的降解處理提供新的策略，從而降低對環(huán)境的污染，更好地保護人類和其他生物的棲息環(huán)境。