聚氨酯塑料生物降解的研究現(xiàn)狀

江志通，陳 雪，閆 新，李周坤，曹 慧，崔中利

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210095)

聚氨酯(PUR)，全名為聚氨基甲酸酯，是一種由多元醇和多異氰酸酯合成的高分子有機(jī)化合物。由Bayer博士在1937年首次合成出來(lái)，隨著美國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展，第一個(gè)彈性PUR泡沫由Zaunbrecher 和Barth于1942年合成[1]。從20世紀(jì)50年代開始，PUR在工廠進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)至今[2]。2020年，全球PUR市場(chǎng)規(guī)模價(jià)值706.7億美元[3]，PUR生產(chǎn)量占塑料的6%，是繼聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)之外的全球第六大聚合物[4]。

聚氨酯可用于制造PUR塑料(以泡沫塑料為主)、PUR纖維(俗稱氨綸)、PUR橡膠及彈性體[5]。與PVC發(fā)泡材料相比，軟質(zhì)PUR因其熱塑性的線性結(jié)構(gòu)，具有更好的穩(wěn)定性、耐化學(xué)性、回彈性和力學(xué)性能，隔熱、隔音、抗震及防毒性能良好，常用作包裝、隔音和過(guò)濾材料。硬質(zhì)PUR塑料質(zhì)輕，隔音和絕熱性能優(yōu)越，耐化學(xué)腐蝕，電性能好，易加工且吸水率低，主要用于建筑(建筑泡沫、發(fā)泡劑)、交通運(yùn)輸(隔熱海綿)、家電(冰箱的隔熱層、空調(diào)的保溫管)等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料。PUR彈性體性能介于塑料和橡膠之間，耐油、耐磨、耐低溫、耐老化、硬度高且有彈性，主要用于制鞋(制造鞋面和皮革)、醫(yī)療(制造透析管和人造皮膚)和體育(塑膠跑道和籃球場(chǎng)地的鋪設(shè))等方面。PUR還可以制作黏合劑、涂料(汽車、飛機(jī)等交通用具的表面涂層)、合成革等[6]，PUR類塑料因其良好的性能已被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域和人們的日常生活中(圖1)。

圖1 PUR類塑料的應(yīng)用領(lǐng)域及代表性實(shí)例

PUR塑料在給人們生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也引起日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問(wèn)題。大量的塑料廢棄物丟棄在自然環(huán)境中，不僅本身就是一種嚴(yán)重的碳資源浪費(fèi)，同時(shí)也給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，甚至是生態(tài)災(zāi)難。同時(shí)，當(dāng)PUR塑料暴露在環(huán)境中時(shí)，各種環(huán)境因素(如陽(yáng)光、O2、熱力、空氣、風(fēng)、雨、塵埃、水、化學(xué)污染和微生物等)共同作用可能導(dǎo)致其降解[7]，從而釋放出諸如4，4′-亞甲基二苯胺(MDA)和2，4′-甲苯二胺(TDA)等有毒物質(zhì)[8]，隨著它們?cè)诃h(huán)境中的積累會(huì)產(chǎn)生生態(tài)毒理性，毒害生態(tài)系統(tǒng)中的各種生物，最終通過(guò)食物鏈積累威脅著動(dòng)物及人類健康，進(jìn)而造成二次危害。與此同時(shí)，在環(huán)境因素的作用下，PUR塑料能形成1 μm～5 mm的微塑料，近年來(lái)微塑料已被證實(shí)可以在微生物、動(dòng)物與植物體內(nèi)富集，嚴(yán)重威脅著人類健康。因此，建立有效的處理方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄塑料的合理處理和再利用，對(duì)于動(dòng)物健康和環(huán)境保護(hù)均具有重要意義。

目前，對(duì)PUR廢棄塑料進(jìn)行處理的方法主要包括填埋、焚燒、機(jī)械回收以及物理化學(xué)再處理等。然而，這些傳統(tǒng)方法存在難以解決的弊端。相較于其他塑料，PUR廢棄塑料密度較小，集中填埋會(huì)占用大量土地，導(dǎo)致土地資源的浪費(fèi)[9]。焚燒雖然簡(jiǎn)單且不占用土地，但會(huì)增加碳排放，且焚燒產(chǎn)生的有害氣體會(huì)造成空氣污染。機(jī)械回收已成為廢棄塑料資源利用的重要手段，然而回收后的PUR碎片只能用作玩具、枕頭等的填充物或作為后續(xù)過(guò)程中的基底(二次機(jī)械回收和原料回收)[10]，而且二次利用的范圍有限。相較之下，利用生物手段實(shí)現(xiàn)PUR廢棄物生物降解被視為是一種環(huán)境友好、反應(yīng)條件溫和的廢棄塑料處理方法，且可實(shí)現(xiàn)廢棄塑料資源的高值化再利用[11]。本文首先綜述了PUR的化學(xué)結(jié)構(gòu)和PUR降解性微生物的篩選方法，然后總結(jié)了PUR降解微生物和降解酶的研究現(xiàn)狀以及評(píng)價(jià)其降解效果的方法，最后對(duì)PUR生物降解研究目前遇到的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析與展望，以期為推進(jìn)PUR生物降解研究提供參考。

1 PUR的化學(xué)結(jié)構(gòu)

PUR由帶有2個(gè)或多個(gè)羥基基團(tuán)的醇(多元醇)和帶有兩個(gè)或多個(gè)異氰酸酯基團(tuán)的異氰酸酯(多異氰酸酯)分步聚合而成[12]。作為合成聚氨酯的起始原料，多元醇和多異氰酸酯的官能度至少為2。合成PUR的反應(yīng)通式如圖2所示。PUR的特點(diǎn)是在其主鏈上有重復(fù)的氨基甲酸酯鍵，由于其易于在溫和條件下合成而被廣泛開發(fā)使用。在工業(yè)上，合成和配制PUR的主要材料有多元醇、多異氰酸酯、表面活性劑、催化劑、發(fā)泡劑和添加劑等。在結(jié)構(gòu)組成方面，多元醇主要負(fù)責(zé)PUR的柔性部分，使PUR具有彈性，過(guò)量添加能使PUR更具親水性；多異氰酸酯則主要負(fù)責(zé)PUR的剛性部分，過(guò)量添加能使PUR更具剛性和疏水性[12]。目前，工業(yè)上常用來(lái)生產(chǎn)PUR類塑料的多元醇和多異氰酸酯如表1[13]和表2[14-19]所示。在PUR的制備過(guò)程中需要催化劑提高多元醇與多異氰酸酯之間的反應(yīng)活性，同時(shí)使反應(yīng)能在溫和條件下進(jìn)行。使用發(fā)泡劑能給反應(yīng)提供泡沫，以控制PUR內(nèi)泡孔的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。表面活性劑則負(fù)責(zé)改善多元醇和多異氰酸酯的分散，確保反應(yīng)體系均勻，并在固化過(guò)程中通過(guò)減少泡孔坍塌來(lái)穩(wěn)定泡孔的結(jié)構(gòu)。此外，在反應(yīng)過(guò)程中需要額外的添加劑為塑料提供一些特定性能，如阻燃性、燃燒過(guò)程中的煙霧抑制、顏色、抗紫外線性以及提高力學(xué)強(qiáng)度等[13]。

表1 工業(yè)上制造聚氨酯塑料常用的多元醇類別[13]

表2 生產(chǎn)聚氨酯塑料常用的多異氰酸酯

圖2 官能度為2的多元醇和多異氰酸酯合成PUR的反應(yīng)通式

2 PUR類塑料降解菌的篩選方法

對(duì)于篩選PUR降解菌，選擇合適的篩選底物尤為重要。目前，在報(bào)道PUR降解菌的文獻(xiàn)中，用于PUR降解菌篩選的底物主要有3種：聚酯-PUR顆粒分散體、PUR實(shí)體(彈性體、薄膜、泡沫等)以及低分子量的PUR基模型分子[8]。

2.1 基于聚酯-PUR顆粒分散體的透明圈和濁度測(cè)定的篩選方法

聚酯-PUR顆粒分散體是篩選PUR降解菌的研究中使用最為廣泛的篩選底物，尤其是Impranil?DLN。Impranil?DLN是一種陰離子型的脂肪族聚酯-PUR顆粒分散體，呈乳白色懸濁液，含有約40%的聚合物顆粒，顆粒大小約為0.1～0.2 μm，由Covestro公司(德國(guó))商業(yè)化，應(yīng)用于紡織涂層。Impranil?DLN的結(jié)構(gòu)與組成尚不十分清楚，Biffinger等[20]提出了一種基于聚己烷/己二酸新戊基聚酯和1，6-亞己基二異氰酸酯(HDI)的初步結(jié)構(gòu)，認(rèn)為二甘醇也是Impranil?DLN的一種組成成分[21]。PUR降解菌在用Impranil?DLN制成的固體平板上生長(zhǎng)，能在菌落周圍形成透明圈，因而被廣泛應(yīng)用于PUR降解菌的篩選。Impranil?DLN的降解會(huì)使添加了Impranil?DLN的培養(yǎng)液變得透亮，因此常與分光光度計(jì)結(jié)合，作為篩選PUR降解菌的輔助手段。然而，濁度測(cè)定存在蛋白質(zhì)的相互作用導(dǎo)致光密度下降的可能性，從而使菌株篩選過(guò)程中存在假陽(yáng)性[22]。同時(shí)，由于Impranil?DLN中的酯鍵多于氨基甲酸酯鍵，因此篩選出的PUR降解菌多數(shù)可能只能分泌酯酶，而非氨基甲酸酯酶。總之，先用Impranil?DLN進(jìn)行初篩，再設(shè)置使用其他篩選底物的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)進(jìn)行二次篩選，在開展PUR降解性微生物的高效篩選過(guò)程中具有良好的可行性。

2.2 基于PUR實(shí)體的篩選方法

為了篩選出對(duì)實(shí)際的PUR類塑料產(chǎn)品有良好降解效果的微生物，研究者在微生物篩選過(guò)程中使用彈性PUR、PUR泡沫或PUR薄膜等PUR實(shí)體塑料為基質(zhì)來(lái)篩選PUR降解菌。此類篩選方法通常以處理前后塑料產(chǎn)品的質(zhì)量損失率作為篩選標(biāo)準(zhǔn)以判斷微生物的降解效果。Magnin等[23]用PCL基熱塑性聚氨酯(TPUR)、脂肪酸二聚體基熱塑性聚氨酯、聚醚基熱塑性聚氨酯和聚(酯醚)基熱塑性聚氨酯對(duì)以Impranil?DLN為底物初篩過(guò)后的菌種進(jìn)行二次篩選，篩選出鏈格孢屬菌株 P2a1、青霉屬菌株 MMP3b 及曲霉屬菌株 MMP31；再經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的生物降解減質(zhì)量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以PCL基熱塑性聚氨酯為底物時(shí)，P2a1、MMP3b和MMP3c1的塑料質(zhì)量損失率分別為3.2%、8.9%和1.5%，而以脂肪酸二聚體基熱塑性聚氨酯為底物時(shí)相應(yīng)的塑料質(zhì)量損失率分別為1.7%、1.3%和1.8%。

除此之外，有一些研究者在以聚氨酯實(shí)體為唯一碳源的環(huán)境下進(jìn)行微生物的富集篩選。Khan等[24]通過(guò)篩選能在PUR薄膜表面定植的真菌，并將其重新接種到SDA平板上培養(yǎng)，最終篩選獲得1株能夠降解聚酯類PUR的塔賓曲霉。Osman等[25]通過(guò)PUR薄膜表面定植生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，最終從垃圾傾倒場(chǎng)的土壤中篩選出1株曲霉屬菌株S45。由于PUR實(shí)體的表面官能團(tuán)、疏水性、結(jié)晶度和分子量分布等理化性質(zhì)更接近實(shí)際的PUR產(chǎn)品，所以使用這種手段篩選出的PUR降解菌對(duì)真實(shí)PUR的降解效果往往要優(yōu)于其他的篩選方法。但是，該種篩選方法周期較長(zhǎng)，篩選效率較低。

2.3 基于低分子量的PUR基模型分子的篩選方法

低分子量PUR基模型分子是模擬PUR部分化學(xué)結(jié)構(gòu)的模式分子，它含有PUR的氨基甲酸酯鍵，是研究PUR降解菌/降解酶基本性質(zhì)的理想材料。研究者通常會(huì)使用相應(yīng)的單體原材料自行合成低分子量的PUR模型分子，其清晰的化學(xué)結(jié)構(gòu)使得研究者能夠利用質(zhì)譜、液相色譜等手段高效檢測(cè)PUR的降解產(chǎn)物，從而為解析PUR的降解途徑提供較為充分的證據(jù)。Akutsu-Shigeno等[26]使用甲苯-2,4-二氨基甲酸二丁酯(TDCB)作為唯一碳源，成功從近350份土壤樣品中成功分離到1株馬紅球菌(Rhodococcusequi)TB-60，并利用所設(shè)計(jì)的含有氨基甲酸酯鍵的PUR基模型分子——亞甲基聯(lián)苯二氨基甲酸二丁酯(MDCB)和六亞甲基二氨基甲酸二丁酯(HDCB)為底物，對(duì)從該菌中分離純化出的PUR水解酶的酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析，成功檢測(cè)到TDCB的水解產(chǎn)物甲苯二胺(TDA)和另一水解產(chǎn)物的衍生物4，4′-二氨基二苯甲烷以及MDCB的水解產(chǎn)物亞甲基聯(lián)苯二胺和HDCB的降解產(chǎn)物己二胺(HDA)。值得注意的是，雖然使用PUR基模型分子能夠部分表征PUR降解菌/酶的作用機(jī)制，但是所獲取的候選降解菌/酶對(duì)PUR實(shí)體的降解效果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 PUR降解菌的種類及特性

目前，已報(bào)道的PUR降解菌主要是細(xì)菌和真菌[27-39](表3)，其中細(xì)菌中的PUR降解菌大部分屬于假單胞菌屬和芽孢桿菌屬，真菌則以曲霉屬和青霉屬居多，放線菌和酵母則相對(duì)較少。所篩選分離獲得的細(xì)菌通常在37 ℃條件下培養(yǎng)，真菌的培養(yǎng)溫度一般為25～37 ℃。此外，因?yàn)檎婢木z能侵入PUR的內(nèi)部，并能分泌豐富的胞外活性酶類，使得真菌的PUR降解效果一般要優(yōu)于細(xì)菌。lvarez-Barragán等[30]發(fā)現(xiàn)了一株能夠降解PUR的極細(xì)枝孢霉(Cladosporiumtenuissimum)A2.PP.5，該菌能夠在外源的碳氮源輔助下，21 d內(nèi)使不含阻燃劑的PE-PUR泡沫質(zhì)量減少達(dá)到65%。Khan等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在室溫條件下，將塔賓曲霉(Aspergillustubingensis)置于含20 g/L葡萄糖的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基(MSM)中，2個(gè)月內(nèi)可以將約90%的 PUR 膜降解。相比之下，細(xì)菌對(duì)PUR類塑料的降解能力普遍較弱，大部分只能對(duì)Impranil?DLN具有較好的降解能力。由此可見，自然環(huán)境中真菌在廢棄PUR塑料的生物降解過(guò)程中可能發(fā)揮著重要的作用。

與單一菌株相比，混合菌群在PUR降解中表現(xiàn)出良好的降解效果，微生物菌群在降解天然聚合物和外來(lái)生物物質(zhì)方面甚至比單一純菌更有效[40]。Shah等[41]發(fā)現(xiàn)，以PUR薄膜為唯一的碳源的情況下，菌株MZA-75和MZA-85共培養(yǎng)組的PUR薄膜的質(zhì)量減少速率顯著大于單一菌株培養(yǎng)組。此外，F(xiàn)ernandes等[41]發(fā)現(xiàn)黑曲霉(Aspergillusniger)ATCC1604 和銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)ATCC9027共培養(yǎng)時(shí)能夠協(xié)同互作，增強(qiáng)對(duì)熱塑性PUR彈性體橡膠材料的降解效果。由此可見，微生物菌群在降解聚氨酯塑料方面也發(fā)揮著重要的作用。不過(guò)微生物菌群結(jié)構(gòu)復(fù)雜，菌株之間的相互作用以及菌群群落穩(wěn)定性等問(wèn)題也影響了合成菌群在塑料生物降解方面的實(shí)際應(yīng)用。

4 PUR降解酶

基于塑料高分子特殊的分子結(jié)構(gòu)，塑料的微生物降解主要依賴于所分泌的相關(guān)酶類。由于工業(yè)使用的PUR類塑料中普遍存在氨基甲酸酯鍵、酯鍵、酰胺鍵、肽鍵等，目前已報(bào)道的具有PUR降解效果的降解酶(表4)主要包括：脂肪酶、酯酶、脲酶、酰胺酶和蛋白酶等[26，42-49]。而具體降解機(jī)制則由于 PUR 種類、菌株自身特性及環(huán)境條件等不同而存在差異[23]。

表4 聚氨酯降解酶

4.1 脂肪酶

脂肪酶是絲氨酸水解酶家族的一員，其特點(diǎn)是具有降解長(zhǎng)鏈甘油酯的能力[13]。部分脂肪酶能夠水解PUR中的酯鍵產(chǎn)生相應(yīng)的酸和醇。Ng等[50]研究發(fā)現(xiàn)，豬胰腺脂肪酶對(duì)棕櫚油多元醇基的多孔泡沫具有降解效果。同時(shí)，Hung等[51]和Nadeau等[52]從蛋白原假單胞菌(Pseudomonasprotegens)Pf-5中鑒定出2種具有PS-PUR降解活性的脂肪酶——PueA和PueB，研究后發(fā)現(xiàn)是蛋白原假單胞菌在PUR表面定植形成生物膜的關(guān)鍵酶。

4.2 酯酶

酯酶在自然界中廣泛分布，在生命體的脂質(zhì)代謝和蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。因此，相較于其他化學(xué)鍵，PUR中酯鍵的生物敏感性更高，使得酯酶成為降解聚酯類PUR塑料的主要酶類[53]。酯酶對(duì)于PUR中的酯鍵和氨基甲酸酯鍵均具有水解活性，前者被水解為相應(yīng)的醇和羧酸，后者被水解成相應(yīng)的醇、胺和CO2。目前，已發(fā)現(xiàn)多種能夠降解PUR類塑料的酯酶。Schmidt等[47]利用基因合成與表達(dá)技術(shù)成功純化出酯酶LCC、Tcur0390 和Tcur1278。2017年，Ufarté等[43]從牛瘤胃微生物群中分離出26個(gè)具有酯酶活性的克隆，并從中分離出1種新的酯酶CE_Ubrb，具有氨基甲氨酯和聚氨酯降解活性。此外，來(lái)源于食酸叢毛單胞菌(Comamonasacidovorans)的酯酶PudA和分離自熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)的酯酶PulA也具有一定的PUR降解效果[44]。

4.3 脲酶

與其他酶類相比，脲酶更適合降解富含脲鍵的聚醚型PUR，通過(guò)水解聚醚型中的脲鍵產(chǎn)生相應(yīng)的胺和CO2。然而，脲鍵是PUR中的頑固化學(xué)鍵，目前關(guān)于脲酶參與PUR類塑料生物降解的研究報(bào)道較少。

4.4 蛋白酶和酰胺酶

由于蛋白酶和酰胺酶較低的底物特異性，蛋白酶和酰胺酶能水解PUR中的肽鍵或氨基甲酸酯鍵的肽鍵部分，前者產(chǎn)生羧酸和醇類物質(zhì)，后者則水解成醇類、胺類物質(zhì)和CO2。Phua等[54]將聚醚PUR彈性體薄膜與植物蛋白酶木瓜蛋白酶在37 ℃條件下處理1～6個(gè)月后，經(jīng)凝膠滲透色譜法(GPC)和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析顯示聚氨酯鍵發(fā)生了一定程度的水解。然而，極長(zhǎng)的處理時(shí)間表明木瓜蛋白酶的降解效率極低。

單一種類的PUR降解酶只能對(duì)PUR中有限的化學(xué)鍵進(jìn)行攻擊，而實(shí)際的PUR產(chǎn)品往往具有多種可供水解的官能團(tuán)，如聚酯型PUR含有較多的酯鍵和肽鍵，而聚醚型PUR含有較多的醚鍵和酰胺鍵等高度頑固鍵。因此，根據(jù)PUR的塑料類型，選擇不同類型的塑料降解酶進(jìn)行協(xié)同降解能夠達(dá)到更好的效果。Magnin等[45]發(fā)現(xiàn)，在PUR的降解過(guò)程中起主要作用的酯酶和針對(duì)PUR中酰胺鍵的酰胺酶共同作用于熱塑性PUR，能增加PUR中聚氨酯鍵的水解效率，達(dá)到協(xié)同增效的作用。

5 PUR生物降解效果的評(píng)估

為了準(zhǔn)確測(cè)定PUR生物降解的效率，分析塑料理化性質(zhì)的變化、微生物生長(zhǎng)以及塑料降解產(chǎn)物的產(chǎn)生等至關(guān)重要。目前對(duì)于包括PUR等不同類型塑料的結(jié)構(gòu)分析手段主要包括以下方法。

5.1 PUR在生物降解過(guò)程中物理化學(xué)性質(zhì)的變化

由于PUR分子量的變化、機(jī)械完整性的喪失、質(zhì)量的損失、關(guān)鍵化學(xué)鍵的斷裂等性質(zhì)的變化可以通過(guò)質(zhì)量法、形態(tài)觀察法(掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM))、光譜技術(shù)(FTIR、核磁共振(NMR)、基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS))、力學(xué)測(cè)試(拉伸和壓縮測(cè)試)和熱力學(xué)分析(熱重分析(TGA)、差示掃描量熱儀(DSC)分析)等方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此，目前表征生物處理前后塑料分子理化性質(zhì)的變化已成為研究塑料生物降解的主要手段。

PUR的質(zhì)量損失通常被認(rèn)為是生物降解的直接證據(jù)[26]。雖然減質(zhì)量法較為簡(jiǎn)便，但是無(wú)法應(yīng)用于涂料類的PUR實(shí)驗(yàn)材料，而且由于處理周期長(zhǎng)(通常30～60 d)，降解過(guò)程中產(chǎn)生的微小碎片也難以從實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中回收。此外，PUR實(shí)體聚合物質(zhì)量損失率太低，難以真實(shí)反映生物降解的程度[54]。可見，以質(zhì)量損失來(lái)衡量生物降解效率有一定的局限性。

PUR表面形貌的結(jié)構(gòu)完整性是證明生物降解的另一個(gè)有力證據(jù)。通過(guò)掃描電子顯微鏡可以清楚地觀察到PUR的表面形貌由于生物降解產(chǎn)生的孔洞、裂縫等侵蝕現(xiàn)象[26,53]。透射電子顯微鏡主要用于觀察微生物對(duì)PUR內(nèi)部的侵入及同化現(xiàn)象。

物理性質(zhì)(抗壓和抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率)的變化也用于監(jiān)測(cè)PUR生物降解[59]，因?yàn)樯锝到鈺?huì)導(dǎo)致抗壓力、抗拉力等力學(xué)性質(zhì)的改變。這些材料測(cè)試方法的局限性在于需要大量材料來(lái)制備標(biāo)準(zhǔn)樣本。此外，PUR結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的多樣性限制了力學(xué)行為變化與PUR生物降解程度之間的相關(guān)性。

由于PUR生物降解會(huì)伴隨聚合鏈間網(wǎng)絡(luò)的破壞及交聯(lián)度的降低，PUR熱穩(wěn)定性被改變，所以可通過(guò)TGA評(píng)估PUR的生物降解。然而，TGA對(duì)監(jiān)測(cè)PUR生物降解(生物降解)的第一步用處較小，因?yàn)轭~外的交聯(lián)和形成更熱穩(wěn)定的PUR結(jié)構(gòu)可能與聚合物網(wǎng)絡(luò)斷裂同時(shí)進(jìn)行[60]。相比之下，與PUR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破裂和低分子量產(chǎn)物釋放相關(guān)的生物裂解過(guò)程可以通過(guò)TGA輕松監(jiān)控(并粗略量化)。

GPC可以監(jiān)測(cè)PUR各部分的分子量變化情況，顯示PUR的解聚效果。但是，不溶于任何試劑的PUR無(wú)法使用該方法進(jìn)行評(píng)估，實(shí)際的應(yīng)用范圍受到限制。研究者往往需要自行合成低分子量(聚合度)的PUR實(shí)驗(yàn)材料。

5.2 PUR生物降解產(chǎn)生的降解產(chǎn)物

為了解析塑料生物降解的機(jī)制，對(duì)其降解產(chǎn)物的鑒定至關(guān)重要。目前，色譜技術(shù)(如液相色譜(LC)、高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)和GPC等)常用于檢測(cè)PUR的低聚物及其降解產(chǎn)物，質(zhì)譜(MS)技術(shù)和色譜技術(shù)聯(lián)用往往能起到更好的檢測(cè)和產(chǎn)物定量分析效果。

通過(guò)色譜技術(shù)與質(zhì)譜技術(shù)分析可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中產(chǎn)生的PUR降解產(chǎn)物，從而間接證明PUR的生物降解。因?yàn)樵摷夹g(shù)檢測(cè)PUR降解產(chǎn)物首先需要明確所使用的PUR材料的準(zhǔn)確化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)式，所以研究者應(yīng)使用化學(xué)信息明確的PUR材料或者自己設(shè)計(jì)合成PUR材料。

5.3 PUR表面或內(nèi)部微生物的動(dòng)態(tài)變化

微生物同化或礦化PUR的過(guò)程伴隨O2的吸收和CO2的釋放，與此同時(shí)，微生物的生長(zhǎng)情況也會(huì)隨之變化，可分別通過(guò)呼吸測(cè)量法和顯微鏡觀察或生物量測(cè)量法對(duì)生物降解過(guò)程微生物的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行評(píng)估。

6 結(jié)語(yǔ)與展望

塑料生物降解的關(guān)鍵在于高效的生物資源，目前，關(guān)于PUR塑料生物降解的研究主要集中在降解菌的篩選、相關(guān)酶的挖掘與改造以及酶作用機(jī)制闡明等方面。然而，由于目前已發(fā)現(xiàn)的降解菌或酶在實(shí)際PUR塑料降解過(guò)程中存在效率較低、環(huán)境適應(yīng)性差、工業(yè)環(huán)境兼容性弱等問(wèn)題，PUR生物法降解與高值化再利用離工業(yè)需求還存在較大的差距。

針對(duì)利用微生物解決PUR塑料污染與資源處理等問(wèn)題所面臨的諸多困難與挑戰(zhàn)，需要從以下幾個(gè)方面開展深層次的研究。

1)高效PUR降解生物資源的挖掘。因?yàn)榫郯滨ドa(chǎn)歷史較短，目前的研究缺乏足量的PUR降解菌、PUR降解酶及其基因資源。因此，需要結(jié)合高通量篩選、宏基因組學(xué)以及人工智能等多種技術(shù)開展高效降解菌與酶的篩選與設(shè)計(jì)，并利用合成生物學(xué)手段對(duì)現(xiàn)有的降解菌進(jìn)行升級(jí)改造。

2)提高PUR降解菌及降解酶對(duì)塑料的可及性。包括PUR塑料在內(nèi)的不同類型塑料都高度疏水、結(jié)晶度高，微生物及其分泌的酶難以與塑料分子相結(jié)合。因此，提高生物酶對(duì)塑料的可及性是提高生物降解效率的重要方向。

3)多學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)廢棄塑料合理處置與資源化利用。由于塑料高分子特殊的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，以生物降解作為唯一手段難以實(shí)現(xiàn)廢棄塑料的高效利用。通過(guò)化學(xué)、材料學(xué)、生物化工以及微生物學(xué)等學(xué)科融合，建立從塑料前處理到應(yīng)用小試到工程放大等技術(shù)體系，是實(shí)現(xiàn)廢棄塑料資源再利用，解決廢棄塑料環(huán)境污染和資源浪費(fèi)的有效方法。

目前，國(guó)內(nèi)外科研工作者針對(duì)PUR塑料生物降解已開展了諸多研究工作，所獲得的研究成果表明，生物降解在PUR類廢棄塑料合理處置方面具有很好的應(yīng)用潛力。在豐富的生物資源積累和多學(xué)科交叉融合的基礎(chǔ)上，塑料的生物降解及高值化將在實(shí)現(xiàn)廢棄塑料合理處置和白色污染治理等方面發(fā)揮重要的作用。