聚碳酸酯塑料生物降解及其線路化設(shè)計潛能

岳紋龍，周寧一，許 楹

(上海交通大學 生命科學技術(shù)學院 微生物代謝國家重點實驗室，上海 200240)

塑料(“plastic”，源自希臘語“plastikos”，意思是可塑的)是一種人造的合成或半合成高分子材料[1]。1907年7月13日，Leo H.Baekeland為酚醛樹脂申請了專利，這是第一個人工合成的塑料，徹底改變了人們的生活習慣，推動人類邁入塑料時代[2]。2020年，全球塑料年產(chǎn)量為3.67億t[3]。大多數(shù)塑料由化石燃料合成，包括聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚苯乙烯(polystyrene,PS)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)等聚烯烴類塑料及聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)、聚氨酯(polyurethanes,PUR)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)等不同類型的聚酯類塑料。目前，塑料的再生利用主要通過機械回收，只有19%的廢棄塑料能夠被回收利用，剩下的廢棄塑料中70%被填埋或者遺棄，另外11%則被焚燒處理[4-5]。目前塑料污染威脅著多種生態(tài)系統(tǒng)，并對許多動物的物種造成破壞性影響[6]。微生物和酶的應用是一種潛在與可持續(xù)的綠色方法，可以用來解決塑料污染的問題。目前，關(guān)于PET塑料的生物降解研究及資源化利用已經(jīng)有很多的綜述文章[7-12]，同時CARBIOS 公司宣布將在法國化學谷建設(shè)PET 塑料酶法回收的工業(yè)示范工程，建立從PET 廢棄物降解到單體利用的完整工業(yè)鏈[13]。然而，對于同樣具有酯鍵結(jié)構(gòu)且廣泛應用的聚碳酸酯塑料的生物降解及資源化利用的研究才剛剛起步。

1 聚碳酸酯塑料及其污染現(xiàn)狀和非生物降解

1.1 聚碳酸酯塑料簡介

聚碳酸酯是一類化學結(jié)構(gòu)中含有碳酸酯基團的熱塑性聚合物，沒有獨特的塑料分類標志(resin identification code，RIC)，在RIC列表中被識別為“其他”，分類為“7”，但它被廣泛用于醫(yī)用材料和電子設(shè)備等產(chǎn)品中。聚碳酸酯塑料根據(jù)其碳鏈的主鏈結(jié)構(gòu)可分為兩類，分別為脂肪族聚碳酸酯塑料和芳香族聚碳酸酯塑料，其化學結(jié)構(gòu)式如圖1所示。脂肪族的聚碳酸酯塑料的應用并不廣泛，而芳香族聚碳酸酯塑料作為工程熱塑性塑料被廣泛使用[14]。雙酚A型聚碳酸酯(bisphenol-A polycarbonate,PC)是一種具有多種光學特性且應用廣泛的芳香族聚碳酸酯塑料，通用電氣公司和拜耳公司于20世紀50年代將PC商業(yè)化[15]，這種聚合物由羰基(通常來源于光氣或碳酸二苯酯)與雙酚A(bisphenol-A,BPA)通過縮合反應形成[16]。

圖1 脂肪族(a～d)和芳香族(e)聚碳酸酯的結(jié)構(gòu)

1.2 聚碳酸酯塑料污染現(xiàn)狀

PC塑料在各種工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用，如建筑、汽車、光學、醫(yī)療、包裝和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備[17]。2017年，PC年產(chǎn)量已達到400萬t[18]，預計到2023年底將逐步增加到500萬t[15]。然而大部分的PC塑料廢棄物都沒有被循環(huán)利用，最終被填埋或焚燒，或者直接丟棄到環(huán)境中。PC塑料一旦被丟棄，隨后在環(huán)境中經(jīng)歷風化過程，特別是太陽的紫外輻照，就會形成微塑料。Liu等[19]對我國39個城市的室內(nèi)和室外粉塵樣本進行了采集和檢測，在大約70%的樣品中檢測到PC微塑料，同時評估發(fā)現(xiàn)嬰兒和成人每天通過粉塵攝入PC微塑料的量分別為7.37和0.5 ng/(kg·d)(以每千克體質(zhì)量每天吸入的量計)。Zhang等[18]對美國65個污水處理廠的活性污泥樣本中PC微塑料進行濃度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每克干活性污泥中含PC微塑料的量為0.70～8 400 μg。青藏高原南部海拔高于4 000 m的槍勇冰川中也發(fā)現(xiàn)PC微塑料的存在[20]。由于聚碳酸酯塑料的丟棄可能會對人體健康和環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)造成損害，因此在過去的幾十年里，PC塑料垃圾的清除已經(jīng)越來越引起人們的關(guān)注。研究表明，非生物降解包括光催化[21-23]、化學降解[15,24-25]、熱降解[17,26-30]和生物降解[31]的方法可以提高PC廢棄塑料的回收處理率[14,32]。

1.3 聚碳酸酯塑料的非生物降解

聚碳酸酯塑料的非生物降解包括光催化降解、化學降解和熱降解。

在光催化降解中，PC塑料可以通過自由基反應達到光誘導自氧化，再進行鏈誘導、增殖和終止。當使用波長小于300 nm的光時，更容易發(fā)生光-弗賴斯(photo-Fries)重排反應，而當使用波長較長的光(大于340 nm)時，光-氧化反應更容易發(fā)生[21]。

化學降解PC塑料是通過水解、醇解、氨解和還原將PC塑料解聚得到可回收化學品的過程，解聚過程如圖2所示[15]。水解反應：PC可水解為BPA和碳酸，而碳酸最終分解為CO2和H2O。醇解反應：在超臨界或近臨界條件下堿催化PC廢棄物的醇解反應。氨解反應：以胺中的N為代表的親核試劑，可以利用廢棄的PC塑料合成有價值的尿素和其他衍生物。還原反應：PC塑料中的碳酸酯官能團易發(fā)生還原反應。PC化學降解主要生成的物質(zhì)是BPA。

圖2 PC塑料通過水解、醇解、氨解和還原進行化學回收(由Kim等[15]發(fā)表的圖片修改而成)

熱降解過程是一種先進的熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)，能夠從各種廢棄物和生物質(zhì)流中生產(chǎn)清潔、高熱值、有價值的產(chǎn)品。PC塑料的熱降解途徑：在熱降解的初始階段，PC在400～500 ℃的溫度下，環(huán)狀低聚物發(fā)生分子內(nèi)交換反應，再水解生成酚端基和CO2，在更高的溫度(500～700 ℃)發(fā)生熱降解反應涉及PC的分子重排或分解[17]。

2 聚碳酸酯塑料的微生物降解

化學處理的方式對PC塑料進行降解，由于使用有毒的有機溶劑及昂貴的催化劑，這導致該工藝不僅需要對產(chǎn)品進行分離，而且還會涉及一系列的環(huán)境和安全方面的問題。光降解和熱降解也可以處理PC塑料，但其缺點在于產(chǎn)生了許多副產(chǎn)物[32]。目前，使用微生物降解塑料被認為是一種環(huán)境友好的方法。PC塑料的土壤微生物降解及分析結(jié)果如表1所示[31,33-36]。

表1 降解聚碳酸酯塑料的土壤細菌和真菌

2.1 土壤細菌降解聚碳酸酯塑料

圖3 假黃單胞菌NyZ600降解PC的代謝途徑(由Yue等[31]發(fā)表的圖片修改而成)

2.2 土壤真菌降解聚碳酸酯塑料

研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的真菌可以生物降解PC塑料。如，念珠地絲菌(Geotrichumcandidum)可以通過產(chǎn)生孢子來腐蝕光盤，孢子會在光盤上鉆孔，使光盤失效[35]。Artham等[36]從土壤中分離出2種真菌菌株和1種商業(yè)白腐真菌(PhanerochaetechrysosporiumNCIM1170(SF2))，對未處理、紫外線和熱處理PC塑料的生物降解能力進行了測試，并基于18S rRNA基因?qū)⒎蛛x的菌株鑒定為共附生白色側(cè)齒霉菌(EngyodontiumalbumMTP091(SF1))和青霉菌(Pencilliumsp.MTP093(SF3))。用白腐真菌SF2處理經(jīng)過紫外線照射過的PC塑料，一年后觀察到質(zhì)量損失了約5.4%，數(shù)均分子量(Mn)下降了40%，同時PC塑料膜表面能和氧含量的增加以及甲基指數(shù)的降低表明，在此期間PC塑料發(fā)生了氧化反應。菌株SF1處理的PC顯示玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低15 ℃，表明聚合物鏈發(fā)生斷裂導致了聚合物的自由體積增加。然而，在研究過程中并沒有檢測到PC塑料的單體BPA，不過NMR和FTIR分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，紫外線預處理PC后導致在聚合物的鏈中形成了甲基基團。

2.3 海洋微生物菌群降解聚碳酸酯塑料

海洋中的微生物菌群也可以降解PC塑料。Artham等[37]研究發(fā)現(xiàn)，在海水中的混合菌群也可以降解PC塑料，他們首先將PC樣品浸泡在孟加拉灣(印度，金奈)的海水中3個月后，在實驗室控制的條件下，PC塑料與海洋混合菌群再進行12個月的共培養(yǎng)，以研究PC塑料在微生物菌群介導下的降解能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在實驗室條件下孵育1年后，PC塑料質(zhì)量損失率為9%，數(shù)均分子量降低了5%，并增加了分子量為930的低聚物，同時接觸角下降11%，表明表面親水性增加，玻璃化溫度降低了3 ℃，并從上清液中檢測到BPA。這些結(jié)果表明，PC塑料膜表面有新羥基的形成和碳酸酯鍵的斷裂，進一步證明了海洋中的混合菌群可以生物降解PC塑料。Artham等[38]使用從印度孟加拉灣分離的混合海洋微生物菌群對PC塑料進行為期1年的體外降解，采用元素分析(EA)、FTIR、GC-MS對降解過程進行監(jiān)測，海洋微生物降解PC塑料過程中，檢測到BPA的代謝產(chǎn)物——4-羥基苯乙酮、4-羥基苯甲醛和4-羥基苯甲酸；通過質(zhì)量法和FTIR證實了PC發(fā)生了生物降解，甲基指數(shù)和羰基指數(shù)的下降分別表示聚合物的氧化和水解，二維核磁共振顯示芳香族C—C發(fā)生裂解。

2.4 聚碳酸酯塑料的降解酶

迄今為止，已經(jīng)有一些PC塑料的降解微生物被分離篩選出來，但對于微生物中PC塑料降解的關(guān)鍵基因和酶的研究還非常有限。Sivalingam等[39]研究發(fā)現(xiàn)，有機溶劑中的PC塑料在不同溫度(26～70 ℃)下被真核來源的脂肪酶降解，如Candidarugosa(CR)、Hogpancreas(HP)、Lipolase(LL)和Novozyme(NV)。在各種有機溶劑中，使用凝膠滲透色譜(GPC)監(jiān)測PC塑料的降解反應后發(fā)現(xiàn)，無論使用何種脂肪酶，所得寡聚體的重均分子量均約為1 400；聚合物降解前后的FTIR對比分析表明，碳酸酯鍵大量減少以及斷裂鏈中羥基和酸性基團產(chǎn)生，最終發(fā)現(xiàn)，HP和其他脂肪酶的最佳溫度分別為50和60 ℃，HP在較低溫度下表現(xiàn)出較高的降解活性，脂肪酶的整體降解性(從大到小)順序為LL、CR、NV、HP。同樣，Artham等[40]利用南極假絲酵母脂肪酶(CAL)、玫瑰假絲酵母脂肪酶(CRL)和豬胰腺脂肪酶(PPL)這3種不同來源的脂肪酶在水混溶的四氫呋喃(THF)和水不混溶的氯仿(CHCl3)中降解PC塑料，采用GPC和FTIR對降解過程進行監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)；與未加酶的對照相比，在THF使用PPL的處理組中可觀察到PC塑料的數(shù)均分子量減少了約60%，表明PC在PPL處理后發(fā)生了廣泛的解聚；所有實驗的降解產(chǎn)物均為BPA和4-肉桂苯酚，表明脂肪酶對聚合物的作用是通過末端鏈斷裂，在THF中對PC的降解效率(從大到小)順序為PPL、CAL、CRL，而在CHCl3中對PC的降解效率(從大到小)排序為CRL、CAL、PPL。

3 聚碳酸酯塑料降解的潛在線路化設(shè)計

對聚碳酸酯塑料降解進行線路化設(shè)計，以實現(xiàn)PC塑料廢棄物的降解。同時，建立從塑料降解產(chǎn)物到高值化產(chǎn)品的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)體系，不僅能推動循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，還能有效節(jié)約石油、天然氣等不可再生資源，減少溫室氣體排放，保護生態(tài)環(huán)境[13]?；诨瘜W方法和微生物-酶法催化PC塑料水解反應產(chǎn)生雙酚A(BPA)[15]及目前已研究報道的許多BPA降解菌[41-43]，可以對聚碳酸酯塑料降解進行潛在的線路化設(shè)計，詳細路線見圖4。

圖4 聚碳酸酯塑料(PC)潛在的降解線路化設(shè)計

首先通過化學方法和微生物-酶法催化PC塑料水解反應產(chǎn)生BPA[15]，進而再通過細胞色素P450單加氧酶(CYP450)系統(tǒng)催化BPA中1個C原子的羥基化[44]，最終生成了1,2-雙(4-羥基苯基)-2-丙醇(1-BP)和2,2-雙(4-羥基苯基)-1-丙醇(2-BP)[44]。BPA羥基化產(chǎn)物2-BP可以進一步氧化生成2,2-雙-(4-羥基苯基)-丙酸(2,2-BP)和2,3-雙(4-羥基苯基)-1,2-丙二醇(2,3-BP)，2,3-BP進一步轉(zhuǎn)化成4-羥基苯甲酸(4-HBA)和4-羥基苯甲酰醇(4-HPA)[45]，4-HPA在2,4′-二羥基苯乙酮雙加氧酶(DAD)催化下生成4-HBA[46]。然而另1個BPA羥基化產(chǎn)物1-BP，可以脫水生成4,4-二羥基-a-甲基二苯乙烯(4-DM)，然后進一步裂解氧化成4-羥基苯甲醛(4-HBD)和4-羥基苯乙酮(4-HAP)[45]。4-羥基苯甲醛脫氫酶(PHBDD)可以將4-HBD脫氫反應生成4-HBA[47]，至此，PC降解生成了2種廣泛研究的、易被微生物降解的單環(huán)芳香化合物4-HBA和4-HAP。

目前，在有氧條件下，4-HBA可以通過3條中心代謝途徑代謝后進入TCA循環(huán)并被徹底降解。①原兒茶酸(PCA)代謝途徑：4-羥基苯甲酸羥化酶(POBA)催化4-HBA羥化反應生成PCA[48-49]。②龍膽酸(gentisate,GA)代謝途徑：對羥基苯甲酰輔酶A連接酶(PhgC)催化4-HBA生成4-羥基苯甲酰輔酶A(4-HBC)的反應，對羥基苯甲酰輔酶A羥化酶(PhgA)催化4-HBC轉(zhuǎn)化為龍膽酰輔酶A(GTC)的反應，龍膽酰輔酶A硫脂酶(PhgB)可以將GTC轉(zhuǎn)化為龍膽酸(GA)[50]。③對苯二酚(HDQ)代謝途徑：在4-HBA-1-羥化酶(HDL)的作用下，通過羥基化和脫羧反應4-HBA可以生成HDQ[51]。上述3種中間開環(huán)底物(PCA、GA和HDQ)均可最終進入TCA循環(huán)而被徹底降解。4-HAP則可以在4-羥基苯乙酮單加氧酶(HapA)的催化作用下通過Baeyer-Villiger氧化反應生成4-羥基苯乙酸酯(HPA)[52]，HPA在4-羥基苯乙酸酯水解酶(HapB)催化作用下形成HDQ[53]，并最終進入TCA循環(huán)徹底降解。

通過潛在的降解線路化設(shè)計(圖4)，可以實現(xiàn)PC塑料的徹底降解，同時該線路化設(shè)計可以有效地將PC塑料廢棄物轉(zhuǎn)化為一系列芳香族化合物，以期實現(xiàn)廢棄PC塑料降解的高值化，并可以對其一系列高值化產(chǎn)品進行回收利用。因此，降解線路化設(shè)計為實際應用中PC塑料的廢棄物循環(huán)利用和高值化提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論與展望

目前，PC廢棄塑料處理方法包括非生物降解和生物降解，PC塑料的非生物降解包括光降解、熱降解和化學降解。PC塑料的光降解和熱降解產(chǎn)生了大量化學結(jié)構(gòu)未被鑒定的產(chǎn)物。在PC塑料的循環(huán)利用過程中，通過微生物的生物催化和生物化學相結(jié)合的催化方法已經(jīng)顯示出巨大的希望。但是，PC塑料的生物轉(zhuǎn)化過程中仍然面臨著降解菌種和酶的匱乏。目前，報道的PC塑料水解酶都是來源于真核生物的商業(yè)用的脂肪酶。PC塑料解聚后形成的單體BPA在下游的代謝通路上缺乏相應的基因和酶的研究。在BPA微生物的降解過程中，化合物1-BP轉(zhuǎn)化為4-DM，4-DM轉(zhuǎn)化為4-HAP和4-HBD，2-BP轉(zhuǎn)化為2,2-BP和2,3-BP，2,3-BP轉(zhuǎn)化為4-HBA和4-HPA，但是這個設(shè)計的路線依然缺乏基因和酶的研究來支撐進一步研究。所以在未來的工作中，要繼續(xù)挖掘PC生物降解相關(guān)的菌株、基因和酶，為今后PC塑料廢棄物的徹底降解和高值化的回收利用提供理論支撐。

目前，PET等聚酯型塑料的酶法解聚與催化機制取得了令人矚目的重要突破，并初步建立從PET廢棄物的降解到單體利用的完整產(chǎn)業(yè)鏈。PC作為一種特殊的聚酯類塑料，具有和PET塑料結(jié)構(gòu)類似的高分子化合物，解聚之后得到的芳香族化合物BPA，基于BPA可以利用微生物生物轉(zhuǎn)化為一系列的高價值芳香類化學品。因此，同時采取多種策略綜合研究利用PC塑料及其降解單體，PC塑料極有可能成為下一個可以工業(yè)化的酶法回收的塑料，并實現(xiàn)PC塑料廢棄物的循環(huán)利用和生產(chǎn)高值化產(chǎn)品。