PE、PP塑料的微生物降解

塑料是一种以聚合物为主要成分的材料， 可分为天然塑料和合成塑料两类。天然塑料是由天然的或微生物分泌的大分子物质组成的一类塑料，如多羟基丁酸 (PHB)。这类塑料多具有可生物降解的特性，因而是一类环境友好型材料，但这类天然塑料在现实应用中仅占很小的一部分。

合成塑料是由单体原料通过加聚或缩聚而成的高分子材料，其种类繁多、广泛应用于生产生活，包括聚苯乙烯 (Polystyrene, PS) 、聚乙烯 (Polyethylene, PE)、聚丙烯 (Polypropylene, PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (Polyethylene terephthalate, PET)、聚氨酯 (Polyurethane, PUR)、聚氯乙烯 (Polyvinyl chloride, PVC) 等石油基塑料 (图 1)。

图1 常见的石油基塑料

Fig. 1 Common petroleum-based plastics.

随着塑料产业的发展及塑料制品的广泛使用和消耗，越来越多的废旧石油基塑料制品进入到了环境中。合成塑料作为一种非天然的石油基塑料，由于其分子量过大且疏水而难以通过生物膜，因此很难被微生物所利用；同时，塑料单体间往往通过 C-C 键等非常强的共价键结合，因此要破坏这种高分子聚合链非常困难。因此这些高分子聚合物进入环境后很难被微生物降解，带来了严重的环境污染，“白色污染”已经成为一个全球性问题。常规处理塑料废弃物的物理和化学的方法有具有成本高、副产品多和产生二次污染的局限性。

生物处理技术是通过生物代谢过程将废物转化成二氧化碳、水和生物质等最终产物进入地球化学循环中。生物处理技术一般都具有高效降解和成本经济的特点，因此被认为是处理固体有机废物最具持续性的处理方式。微生物作为自然界天然的分解者，生存环境丰富多样，它们具有非常高的进化能力和非常强的适应能力，天然存在的化合物几乎都可以被微生物完全利用和降解，而人工合成的化合物也会随着时间推移被微生物逐渐作为底物利用。

通过微生物手段降解塑料不会造成污染，且不需要消耗大量的能量，是一种安全生态的降解方法。另一方面微生物具有可遗传改造性，微生物基因组较小，且有大量的适用于微生物的分子操作手段和工具可以被利用，这一方面有利于对代谢机制的研究，也有利于通过遗传改造提高微生物降解效率或改造代谢路径，达到实际生产应用需求。

1 微生物降解石油基塑料

石油基塑料随着在环境中大量积累，与微生物之间进行广泛的接触，随着时间推移，微生物对难降解塑料化合物进行充分的适应。但是往往由于人工合成的塑料聚合物太大而不能通过细胞膜，它们必须首先解聚成较小的单体，然后在微生物细胞内被吸收和生物降解。

目前已有报道揭示了微生物进化出完全矿化一些人工合成塑料的能力。可见通过微生物降解塑料具有可行性。通过紫外线照射、高温、机械作用以及塑料添加剂如增塑剂等的破坏可导致塑料裂解并最终分解成微塑料。表面积的相对增加改善其生物可利用度。用微生物方法去处理含微塑料的环境变得具有很大的可行性。生物降解相较于物理化学降解来说，能够完全利用塑料作为碳源并将其彻底降解，但是微生物在塑料表面定殖困难，目前高效降解塑料的微生物还未发现，绝大部分微生物倾向于利用塑料表面光化学氧化产生的活性基团。

聚烯烃塑料的生物降解研究进展

聚烯烃塑料是指聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)和聚苯乙烯 (PS) 等由烯烃类单体聚合而成的塑料。其消费量占到了众多种类的合成塑料总量的50%，是塑料废物的首要贡献者。导致聚烯烃难以生物降解的材料特性主要包括：

（1）稳定的化学结构，主要由-C-C-和-C-H-共价键构成，没有易被氧化和水解的基团；

（2）大分子量长链结构形成的空间位阻，使其不能直接进入微生物细胞内进而被胞内酶降解；

（3）高度疏水性，细胞和酶难以接触发生反应。

1.1 聚乙烯塑料 (PE) 的生物降解研究进展

关于微生物降解聚乙烯 (PE) 塑料污染物并将其无机矿化成H2O和CO2的研究最早可追溯到 20 世纪 70 年代。然而前期研究结果表明，高密度聚乙烯 (HDPE) 和低密度聚乙烯 (LDPE) 塑料降解的微生物降解进程及效率都极为缓慢，并主要分解其短链低聚物部分，对长链部分的水解比较有限，但具体可被土壤微生物降解的 PE 分子量上限以及分子量与降解速率之间的关系并不了解。

近年来，研究人员在从土壤中分离 PE 降解菌方面有了较为积极的成果。2013 年，印度 Tribedi 等从土壤中富集分离得到一种可降解 LDPE 的假单胞菌属细菌 AKS2 在 45 d 内达到 4%–6%的 PE 降解效率，而在农田废弃地膜中富集分离出了红球菌 C208可以每周 0.86%的速率降解 PE 塑料薄膜，且研究表明 C208 所分泌的胞外漆酶在 PE 的生物降解中起到促进氧化的主要作用；当在降解过程中添加铜时，PE 的生物降解增强 75%。2009 年，韩秋霞等从农田土壤、生活垃圾堆肥和污泥中分离到 10 株对改性 PE 具有潜在降解能力的霉菌，其中发现只有一株 真菌可以以改性 PE 膜为唯一碳源，培养 30 d PE 膜重量损失可达 20%以上，从而证实了改性 PE 膜的可生物降解性。

之后，研究人员从垃圾堆埋场土壤中筛选分离的 1 株解淀粉芽孢杆菌 Bacillus amyloliquefaciens 菌株被证明具有高效降解淀粉填充 PE 的能力，且淀粉填充改性 PE 塑料可能强化 PE 塑料的降解效果。

近年来国内外研究人员也开展了一些海洋 PE 降解微生物筛选的研究工作。2008 年，印度 Doble 等从海洋浅水区分离到 4 种海洋细菌：球形芽孢杆菌 Bacillu sphericus、蜡样芽孢杆菌 Bacillus cereus、假单胞菌属 Pseudomonas sp.和节杆菌属 Arthrobacter sp.，且得到了较高的 PE 塑料失重率。2013 年， 印度 Jha 等从阿拉伯海海水中分离出 60 种海洋细菌，以 PE 为唯一碳源，筛选得到可降解 LDPE 的 3 种细菌：沼泽考克氏菌 M16、短小芽孢杆菌 M27 和枯草芽孢杆菌 H1584，培养 30 d 后对 LDPE 的降解率分别达到 1%、1.5%和 1.75%。研究人员从印度马纳尔湾的塑料废物堆放场中分离出 15 种 HDPE 降解细菌 (GMB1-GMB15)，其中 GMB5 和 GMB7 在培养 30 d 后对 PE 膜的降解率分别达到 12%和 15%，且 FTIR 结果显示羰基键指数和乙烯基指数均增加。

2019 年，希腊 Kalogerakis 团队成功利用人工构建的海洋微生物菌群实现了对 PE 和 PS 两种混合塑料的共降解。同样，尽管部分真菌也被分离并研究证明其降解 PE 的能力，但是其降解能力均非常有限。

近年来，昆虫啮食并降解PE塑料的研究也有一些研究报道。2010 年，苗少娟等在大麦虫的养殖过程中发现其同样具有取食塑料的能力，进而研究了大麦虫幼虫对不同塑料制品的喜食情况及降解作用。

2014 年，北京航空航天大学杨军教授团队发现印度谷螟幼虫 (Plodia interpunctella Hübner) 可以咀嚼并进食 PE 塑料薄膜，进而从其肠道内分离出 2 株具有 PE 降解能力的细菌：阿氏肠杆菌 YT1 和芽孢杆菌 YP1。研究表明 YT1 和 YP1 的悬浮培养物在 60 d 内对 PE 膜的降解率分别达到 6.1%±0.3%和 10.7%±0.2%。

2017 年，张可等分别以塑料薄膜 A (30%淀粉、70%的 PE 和 助剂) 和 B (95%以上 PE 和少量助剂) 为唯一食物饲养黄粉虫，黄粉虫对两种塑料薄膜均能实现完全降解。

上述研究表明，昆虫的肠道内存在 PE 降解细菌，为 PE 的生物降解提供了一种新途径。不足之处及尚未解决的问题包括：PE 类塑料制品相对分子质量大、表面疏水性强且可被微生物酶系统利用的官能团少，因而在自然环境中难以矿化。目前对于 PE 微生物降解的具体机制尚无定论，尤其是从酶和基因水平上阐述 PE 塑料降解生物机制尚为空白，针对 PE 的微生物降解机制仍需深入探索。总体来说，PE 高效生物降解有关报道仍然十分稀少，但从现有成果分析，PE 生物降解具备的良好应用前景及环境优势已初现端倪。

1.2 聚丙烯 (Polypropylene, PP) 塑料

聚丙烯 (Polypropylene, PP) 塑料是除聚乙烯 (Polyethylene, PE) 塑料之外生产和应用最广泛的一类塑料。其化学结构与聚乙烯塑料类似，是碳碳骨架塑料的典型代表，在化学结构上与聚乙烯塑料的不同之处是聚丙烯塑料侧链有甲基。聚丙烯塑料与其他碳碳骨架塑料类似，由于具有太高的分子量、太强的疏水性、太高的化学键能和太低的生物可及性，这些特性导致这类塑料在环境中很难被微生物降解。

目前关于聚丙烯塑料生物降解的报道非常少。Cacciari 等较早探究了微生物菌群对聚丙烯塑料的降解能力，其报道指出通过微生物菌群处理约 6 个月后，聚丙烯塑料重量有所下降，且有机试剂萃取得到的小分子产物有所上升，但微生物菌群处理后的降解效率非常低下。Arkatkar 等发现对于未处理的聚丙烯塑料，在土壤混合培养物处理长达一年后，仅有 0.4%的重量损失，而对于经过热处理的聚丙烯塑料在相同处理条件下，其重量损失提高到 10%， 这揭示了预处理对于微生物降解聚丙烯塑料的重要性。

从土壤中分离得到的微生物菌株对于经过紫外辐照后的聚丙烯塑料显示出一定的降解能力，而对于未经预处理的聚丙烯塑料没有降解能力。这一方面说明获得的微生物降解效率低下，另一方面说明非生物因素的处理在提高聚丙烯塑料的生物可及性中发挥着重要功能。Jeyakumar 等探究了不同预处理手段及混合淀粉等可降解材料对真菌降解聚丙烯塑料的辅助效果，结果发现紫外线处理、金属离子氧化剂处理或混合淀粉等 可降解材料均能在一定程度上提高真菌对聚丙烯塑料的降解能力，而没有预处理的聚丙烯很难被真菌利用。不足之处及尚未解决的问题包括：目前对于聚丙烯塑料微生物降解的研究还处在代谢菌株资源分离阶段，可研究和应用的聚丙烯塑料降解菌株严重缺乏。高效且高特异性的降解菌株未见报道；微生物代谢机理未知。

2 讨论与展望

迄今为止，尽管已经证实了多种塑料可被微生物降解，并发现了降解塑料的微生物或生物酶，但是目前针对塑料的微生物降解的研究仍存在以下问题：

（1）目前发现的塑料的微生物降解效率均非常缓慢，还应进一步探索优化微生物降解的手段，深入研究高效塑料的微生物降解途径。

（2）目前已发现的具备相关能力的菌株种类较少，因此寻找有效的生物降解塑料的微生物和酶系统，丰富降解菌株资源库方面工作亟待研究。

因此筛选多种塑料的降解菌和菌群，并对其降解特性、功能基因及关键酶进行遗传、物理、化学、分子和生化水平的研究，为储备塑料降解的微生物资源以及和塑料降解酶的资源，同时为构建高效降解微生物提供理论依据和可行性，也将作为酶改造工程的基础，为塑料制品的物质循环利用提供一定的理论基础。另外，利用传统的物理化学诱变手段来筛选具有特殊功能的塑料降解菌也是一个研究方向。

针对目前日益严重的“白色污染”，我国也开始资助微生物降解塑料的研究。国家自然科学基金委员会与欧盟委员会于2019年共同资助了中欧科学家在“Microorganism communities for plastics biodegradation”领域开展实质性合作研究项目。山东大学祁庆生教授 (合成塑料降解转化微生物菌群) 与南京工业大学姜岷教授 (废塑料资源高效生物降解转化的关键科学问题与技术) 的项目获得资助 。同时，科技部 2019 年 6 月又在国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”中发布了“合成塑料降解酶的定向进化工程及应用”的项目指南，目前正在评审中。相信这些高强度资助项目的实施一定将使我国在基于微生物及其酶学的降解塑料研究方面得到令人瞩目的进展。

本文节选自《石油基塑料的微生物降解》。

作者 | 许楹、殷超凡、岳纹龙、周宁一

素材来源 | 《生物工程学报》Nov.25,2019,35

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