微生物對塑料的降解

程若瑤（河南大學邁阿密學院，河南 開封475000）

在我們日常生活中使用著各種一次性塑料制品，如在食堂買飯時使用的塑料袋、塑料飯盒，還有一次性的塑料瓶等，塑料制品充斥在人類衣食住行的方方面面。但是這些傳統的一次性塑料制品多由聚苯乙烯、聚丙烯等高分子化合物制成，其化學結構復雜多變，并且化學性質十分穩定，在環境中自然降解的時間要長達200年，因此對環境造成了嚴重的污染[1]。而生物降解因其低能耗并且降解的最終產物均為二氧化碳和水這種環境友好型產物，所以廣泛受到人們關注，國內外研究學者也一直在致力于研究用生物來降解塑料的方法。

1 生物可降解塑料

生物可降解塑料是由生物可降解型高分子構成，它是指通過自然界中已有的微生物(如細菌、真菌、放線菌等)的生理作用而發生降解并且以無毒害的產物回歸大自然參與到碳素循環中的一種高分子。所以并不是所有的塑料都可以被生物所降解，生物可降解型塑料主要分為兩種[2]，一種是以石油為主要的原料再經過一系列的生產加工得到的生物可降解型塑料，如聚己內酯(Polycaprolacton，PCL) 、聚琥珀酸丁二醇酯(Poly(butylene succinate ) ，PBS ) 、聚 乙 烯 醇( polyvinyl alcohol，PVA)等;另一種則是以可再生的植物資源如作物中的淀粉，或是碳源經過各種化學反應如發酵得到的不同結構的聚合物為原料生產出來的生物質塑料，如聚羥脂肪酸酯( polyhydroxyalkanoates，PHA)、聚乳酸(Polylac_x0002_tic acid，PLA)等[3-4]。（目前國際上早已形成了完整的可降解塑料的標準測試方法體系[5]。）

2 生物降解塑料的機理

一般認為，生物降解過程實際上是由特定的微生物和降解酶來完成的，主要分為兩步。第一步微生物釋放水解酶與塑料表面的受體特異性結合，使之水解為分子量小于500的脂肪酸或脂類物質；第二步是前一過程的生成的小分子酸或脂類物質進入到微生物體內參與其生理代謝過程，從而進一步分解為水和二氧化碳并為細胞提供能量[6]。

根據降解過程的機理與破壞塑料結構的方式的不同，生物降解塑料可分成完全生物降解和生物破壞性降解兩類[7]。

2.1 完全生物降解

完全生物降解是指塑料高分子物質在具有降解功能的微生物作用下，導致其主鏈斷裂，進而逐漸被分解成為各種小分子物質的過程，如：水，二氧化碳，氨。這個過程也可以看做塑料被細菌、真菌等微生物同化吸收的過程[8]。主要可以分為三種方式：

（1）生物的物理作用：由于可降解塑料的微生物其細胞在形態結構上的增長而導致的機械性的破壞。

（2）生物的化學作用：由于特定的微生物對聚合物的發生了特異性反應而產生了新的物質。

（3）酶的直接作用：由于微生物將高分子塑料部分侵蝕而導致材料的部分破碎分解或是氧化分解。

2.2 生物破壞性降解

這是一種不完全的降解的方式，主要是利用天然的雜鏈高分子，如：淀粉、纖維素等的微生物可降解性，再加上過氧化反應的一種綜合降解過程。該方式適用于降解共聚手段合成的塑料。

3 目前的生物降解技術

目前國內外科學工作者研究發現并開發的主要有四種生物降解技術：黃粉蟲幼蟲降解聚苯乙烯泡沫塑料、混菌系統降解PET 技術、細菌催化消化酶分解PET 技術、微生物分解PAEs技術[9]。

3.1 黃粉蟲幼蟲降解聚苯乙烯泡沫塑料

聚苯乙烯由于其高分子量和高穩定性，自然環境中很難被降解，大家普遍認為它是微生物無法降解的一類塑料。

北京航空航天大學楊軍教授和深圳趙姣博士等人經過長時間的合作研究，證明了黃粉蟲即我們常說的面包蟲的幼蟲具有降解聚苯乙烯類塑料的作用。他們將聚苯乙烯泡沫塑料添加到黃粉蟲幼蟲的生長環境中，并阻隔了其他食物來源，結果黃粉蟲幼蟲可存活1 個月以上，并能最終發育成成蟲，更神奇的是其最高生長量可達它所吸食的塑料量的九倍[10]，所食的聚苯乙烯也被完全降解為二氧化碳或被同化為蟲體的脂質。這個實驗也為我們提供了一個新的思路，推動了科研工作者們進行更深入的研究。

3.2 混菌系統降解PET 技術

天津大學本科生團隊研究出了一種混菌體系可以高效降解塑料。我們都知道，由于食物，水，營養物質的有限，同種或多種菌群很難在同一系統中共同生長，而該系統的優點就在于可以讓不同菌種在系統中實現“和平共處”。而實現這一目標的關鍵在于一種十分巧妙的代謝方式，它可以大大降低菌與菌之間對營養物質、生存空間的爭奪，來保持混菌系統的穩定，并且這些菌可以相互協作，更高效的完成對塑料的降解。降解的大致過程為系統中的一部分細菌先工作，將塑料大分子降解成可被后續利用的小分子，另一部分細菌再將這些小分子物質吸收或轉化分解為對環境無害的物質。該混菌系統通過實驗證實可以完全降解一些生活中常見的塑料如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。

3.3 細菌催化消化酶分解PET 技術

日本京都工藝纖維大學研究團隊，通過對PET 塑料瓶回收工廠采集到的土壤、廢水和沉淀物樣品進行取樣分析后，神奇的發現了一種黏附在塑料薄膜上的細菌，該細菌包含了兩種生物酶，第一種酶可以將PET 分解為一種名叫MHET 的中間體，緊接著另一種名叫MHETase的酶，又將MHET進一步水解為對苯二甲酸和乙二醇這兩種對環境友好的物質，并為細菌提供更多能量。

3.4 微生物分解PAEs 技術

PAEs又稱塑化劑，在自然條件下難以分解。加拿大華裔女孩姚佳韻與她的高中同學汪郁雯，在弗雷澤河周邊可能被鄰苯二甲酸酯污染的三個地點采集了土壤樣本，并用鄰苯二甲酸酯作為培養基中的唯一碳源來培養微生物。經過多次重復實驗與篩選發現了三個菌株可能與鄰苯二甲酸酯的降解有關。之后她們提取了三種菌株的酶樣本并分別與一種鄰苯二甲酸媒介進行化學反應，與此同時用分光光度計記錄下整個實驗，獲得了一個完整的曲線圖，表明這些菌株可能含有與塑料降解相關的基因。它們改變了塑化劑的結構，并最終將其分解成二氧化碳、水或酒精。

4 微生物降解塑料的新進展

就我們目前的情況來看，盡管我們在微生物降解塑料的技術方面已經取得了很大的突破，但在降解時間方面仍要做出巨大的努力。

4.1 根據不同的地理環境培育高效菌株

目前歐洲的BIOCLEAN 研發團隊開發了一種新的思路，將傳統的有機堆肥與微生物降解塑料相結合，大大提高了微生物對塑料的降解效率。該研究團隊選擇了一些被廣泛用于工業生產上的塑料作為研究對象，并多次在垃圾填埋場等地進行取樣分析，成功分離篩選出了可有效降解塑料的微生物菌株，并在深度理解了各類菌株的不同功能特點以及不同的環境需求以后，將它們進行高效培育。

4.2 土壤對聚氨酯塑料的降解研究

英國曼徹斯特大學的研究人員發現，將聚氨酯塑料埋入某些肥沃的土壤中，結果發現隨著塑料的不斷降解，該土壤中真菌等微生物的數量也在不斷增加，這說明該土壤中的某些真菌能將聚氨酯塑料作為能源物質，并合成自身的生物質。

4.3 新型可降解塑料的投入使用

生物可完全降解塑料是指那些能在環境中現存微生物產生的酶的作用下，經過一系列反應最后被完全分解為二氧化碳、水等無污染物質的新型塑料[12]。其中以聚羥基脂肪酸酯為原料的新型生物可降解塑料如今已投入到日常生活中使用，這種塑料可被生活中許多微生物所降解，當這些微生物胞內缺乏氮、磷時就會將其作為暫時的胞內儲存能量和碳源的聚合物。這種生物可降解塑料的使用一方面可以減少對環境的污染，從另一方面來說也減少了對不可再生能源如石油、煤炭的使用，符合我們一直提倡的資源和環境的可持續發展戰略。

5 展望

發展生物可降解塑料是目前解決白色污染問題的最適合的方法。生物對不同塑料的降解速率主要取決于塑料的物化性質，其次取決于微生物類型。當然降解過程所處的物理環境如溫度、水分、土壤的組成等對于微生物降解速率也都有影響。此外，水解和氧化分解作用對塑料的降解也起著催化的作用。盡管環境中有多種生物可使塑料降解，但微生物仍是該過程的主力軍。所以高效降解菌的篩選與純化培養以及如何大大縮短降解塑料的時間仍是目前研究生物可降解塑料的主要方向。