毛海龍，白俊巖，姜虎生，王戰(zhàn)勇

(遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001)

隨著科技的發(fā)展和全球人口的增長(zhǎng)，塑料被廣泛的應(yīng)用于日常生活和工業(yè)的各個(gè)方面。然而，絕大多數(shù)的傳統(tǒng)塑料，像聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)等，是不可生物降解的，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。為了解決傳統(tǒng)塑料帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，生物可降解塑料應(yīng)運(yùn)而生［1］。通常意義上的生物可降解塑料主要包括2類:一類是以傳統(tǒng)的石油來(lái)源的原料生產(chǎn)的生物可降解塑料，如聚己內(nèi)酯(Polycaprolacton，PCL)、聚琥珀酸丁二醇酯(Poly(butylene succinate)，PBS)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)等;另一類則是以生物質(zhì)和可再生資源生產(chǎn)的生物質(zhì)塑料，如聚羥脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates，PHA)、聚乳酸(Polylactic acid，PLA)等［2-3］。目前，對(duì)生物可降解塑料的研究主要集中在改性增塑等研究，使其具有更好的物理化學(xué)性質(zhì)用以替代傳統(tǒng)的通用塑料。事實(shí)上即使是生物可降解塑料也是存在一定的降解周期的，僅僅是依靠其在自然界自行降解是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。進(jìn)一步應(yīng)該考慮的問(wèn)題是真正實(shí)現(xiàn)其生物降解，尤其是石油來(lái)源的可降解塑料制品的降解［4-5］。生物降解是受很多因素控制的，主要包括微生物類型和聚合物特性等，而加到聚合物中的增塑劑和添加劑等都在生物降解過(guò)程中起著重要作用［6-7］。本文將從作為降解底物的塑料和降解微生物及降解酶2個(gè)方面對(duì)生物降解塑料做綜述，涉及微生物及其降解酶對(duì)塑料的降解機(jī)理及對(duì)生物降解進(jìn)行調(diào)控的若干因素。

1 可降解塑料的微生物分布

可降解塑料的微生物主要分布于土壤、海洋、堆肥、活性污泥等環(huán)境中。微生物分泌的降解酶附著于塑料底物上催化其水解成為寡聚體、二聚物和單體，最終水解產(chǎn)物由微生物轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。一般來(lái)說(shuō)在含有乳化聚合物的瓊脂平板上接種微生物后，菌落周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)透明圈，說(shuō)明形成該菌落的微生物能夠降解相應(yīng)的聚合物［8］。

2 影響生物可降解塑料的因素

塑料的可生物降解性與塑料本身的性質(zhì)有著直接的關(guān)系。塑料表面性質(zhì)、一級(jí)結(jié)構(gòu)和更高層次的結(jié)構(gòu)都會(huì)影響其生物降解性。一般來(lái)說(shuō)，聚合物的支鏈、分子量、結(jié)晶度、熔化溫度越高，越難以降解。聚合物鏈間的相互作用主要影響焓值，聚合物的內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)能則對(duì)熵值有著主要的影響，焓值和熵值共同作用影響聚合物的熔化溫度(Tm值)，Tm 值越高越難降解［9-10］。

3 石油原料合成的脂肪族聚酯的降解

3.1 聚ε-己內(nèi)酯(PCL)的降解

PCL是以ε-己內(nèi)酯為原料合成的開(kāi)環(huán)聚合物，有著較低的Tm值(60℃)和玻璃轉(zhuǎn)化溫度(－60℃)。在海洋、污泥、土壤以及堆肥環(huán)境中PCL都可以完全被降解，因此PCL的應(yīng)用得到廣泛的關(guān)注，關(guān)于PCL降解的研究也越來(lái)越多［11］。

PCL降解菌Alcaligenes faecalis在30℃條件下，經(jīng)過(guò)45 d的培養(yǎng)，對(duì)PCL薄膜的降解率可達(dá)83%，經(jīng)過(guò)68 d可實(shí)現(xiàn)PCL的完全降解。PCL薄膜隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)，其結(jié)晶度也隨之升高，進(jìn)一步表明PCL薄膜最先被降解的是其非結(jié)晶區(qū)域［12］。Li等［13］從土壤中篩選的1 株 PCL 降解菌Penicillium oxalicum DSYD05-1對(duì)PCL亦有著較高的降解率。PCL薄膜在P.oxalicum DSYD05-1的作用下，經(jīng)過(guò)10 d完全降解。發(fā)酵液中PCL解聚酶的酶活最高可達(dá)14.6 U/mL。該菌株對(duì)PBS、PHB亦有著良好的降解性能，但不能夠降解PLA。有報(bào)道以PCL為唯一碳源，從土壤中篩選出1株嗜熱菌株Streptomyces thermoviolaceus subsp.76T-2。該菌株在45℃下經(jīng)過(guò)6 h培養(yǎng)，可將培養(yǎng)基中的PCL乳化物完全降解。從發(fā)酵上清液中分離出分子量為25 ku和55 ku的2種PCL降解酶，其中分子量為25 ku降解酶是一種幾丁質(zhì)酶，而目前已分離得到的PCL降解酶主要是酯酶［14］。有研究利用Rhizopus arrhizus脂肪酶降解經(jīng)不同溫度(－78、0、25、50 ℃)處理后的 PCL來(lái)評(píng)估其感受性。－78℃處理后的PCL薄膜的感受性最高，隨著PCL處理溫度的升高其感受性降低。此外，PCL在R.arrhizus脂肪酶作用下的降解速率隨著拉伸比率的增長(zhǎng)而降低［15］。

PCL的共混改性研究應(yīng)該在保證其可降解性能的前提下，改變PCL原有性質(zhì)，使其滿足某些特定的需求。例如，PHBV/PCL共聚物可應(yīng)用于藥物載體系統(tǒng)［16］，PCL/β-TCP共聚物可作為骨骼支架材料［17］，PCL/PLA共聚物可作為神經(jīng)末梢修復(fù)工程中的支架等［18］。有文獻(xiàn)報(bào)道PCL/PVC的共聚物具有良好的抗紫外性能，同時(shí)還具有一定的生物可降解性［19］。

3.2 聚琥珀酸丁二醇酯(PBS)的降解

聚琥珀酸丁二醇酯(PBS)是以丁二酸和丁二醇為原料聚合而成的脂肪族聚酯，與其他聚酯相比，具有成本低、力學(xué)性能好和加工性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)［10］。

李凡等［20］從活性污泥中分離出1株能夠降解PBS的菌株Aspergillus versicolor DS0503，并對(duì)其分生孢子進(jìn)行紫外線復(fù)合氯化鋰誘變，突變株P(guān)BS降解酶的酶活力比原始菌株提高14.1%。有研究從土壤中分離出PBS降解菌株P(guān)seudanonas aeruginosa，該菌株經(jīng)過(guò)30 d可使PBS的數(shù)均分子量由8.34 ×104下降到 6.69 ×104，下降比例為19.80%［21］。有研究從農(nóng)田土壤中分離出菌株Fusarium solani，在土壤環(huán)境中，經(jīng)過(guò)14 d，對(duì)PBS的降解率達(dá)到2.8%，而另外一株不能夠降解PBS的菌株Stenotrophomonas maltophilia YB-6，能夠與F.solani協(xié)同促進(jìn) PBS的降解［22］。筆者亦分離到1株具有PBS降解能力菌株Fusarium sp.，在液體培養(yǎng)條件下對(duì)PBS薄膜具有明顯的降解效果。

PBS同其他生物可降解物質(zhì)形成的共聚物，可明顯改變PBS的某些特性，提高其生物降解性能。聚(丁二酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯)(poly(butylene succinate adipate)，PBSA)其降解性能比PBS更好，有報(bào)道從稻葉上篩選出菌株P(guān).antarctica能夠降解PBS和PBSA。該菌株在堆肥環(huán)境中，經(jīng)過(guò)4周對(duì)PBSA的降解率達(dá)到28.2%，6周對(duì)PBSA的降解率達(dá)到80%。從該菌株分離出一種分子量為22 ku的酯酶，該酶在以p-NPB為底物時(shí)，測(cè)得的酶活力為(715.33±124.44)U/mg［23］。PBSLA是將低聚乳酸同PBS共混形成的一種新的生物可降解塑料，而PBSLA的結(jié)晶度隨著低聚乳酸的增加而降低，遠(yuǎn)低于PBS的結(jié)晶度。相應(yīng)降解酶作用24 h，PBSLA可被完全降解［24］。

3.3 聚乙烯醇(PVA)的降解

PVA是一種水溶性的合成聚合物，具有一定的熱穩(wěn)定性，同時(shí)有著一定的黏度，是重要的化工原料。PVA同樣具有生物可降解性能，適當(dāng)環(huán)境下，可被微生物降解［25-26］。PVA的降解性能可能與PVA的聚合度、皂化度、主鏈的規(guī)整度、乙烯和乙二醇的比例有關(guān)系。微生物降解PVA，需要分泌特定的酶作用于PVA鏈上的特定的基團(tuán)，鏈越不規(guī)整越難降解;而乙烯和乙二醇比例的不同，同樣會(huì)對(duì)PVA的降解有較大的影響［27］。

有報(bào)道從染料工廠的活性污泥中篩選分離出1株P(guān)VA降解菌株Sphingopyxis sp.PVA3。在以PVA乳化液為唯一碳源，pH 7.2、30℃條件下，經(jīng)過(guò)6 d培養(yǎng)，PVA降解率可達(dá)90%。在研究中還發(fā)現(xiàn)隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，PVA的分子量逐漸降低［26］。Tsujiyama等選出 1株 PVA降解菌株Flammulina velutipes，該菌株在含有PVA的雙層瓊脂培養(yǎng)基上可形成明顯的透明圈。但在液體培養(yǎng)基中并未表現(xiàn)出降解特性，而在以石英砂為載體的培養(yǎng)基中表現(xiàn)出較好的降解特性。通過(guò)對(duì)降解后PVA及降解產(chǎn)物的分析，推測(cè)出PVA的降解過(guò)程可能是由降解酶首先氧化規(guī)整部位的羥基，進(jìn)一步使羥基結(jié)構(gòu)解聚，形成小分子再由菌體吸收利用［28］。菌株 Fomitopsis pinicola對(duì) PVA同樣有著很好的降解性能，與菌株F.velutipes相比，F(xiàn).pinicola對(duì)不同分子量的PVA都有著一定的降解能力［29］。

4 可再生資源合成塑料的降解

4.1 聚羥基脂肪酸酯(PHA)的降解

PHA是由微生物合成的一類胞內(nèi)聚酯，具有類似于合成塑料的物化特性及合成塑料所不具備的生物可降解性、生物相容性、光學(xué)活性、壓電性、氣體相隔性等許多優(yōu)越性能。常見(jiàn)的PHA主要是聚羥基丁酸酯(Poly-β-hydroxybutyrate，PHB)、聚羥基丁酸戊酸酯共聚酯(poly(hydroxybutyrateco-hydroxyvalerate，PHBV)、聚 3-羥基丁酸-4-羥基丁酸共聚酯(Poly 3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate，P3，4HB)等［30-31］。微生物可以把 PHB 和PHBV作為一種能量來(lái)源，而PHB和PHBV的降解也依靠微生物的活動(dòng)環(huán)境、表面區(qū)域結(jié)構(gòu)、環(huán)境容量、濕度以及其他營(yíng)養(yǎng)材料［32］。

Mergaert等［33］從土壤中篩選到295種微生物可降解PHB和PHBV，包括105種革蘭陰性菌，36種芽胞桿菌屬，68種放線菌和86種霉菌。目前已在多種環(huán)境中分離出大量可以降解PHA的微生物。在土壤中發(fā)現(xiàn)的Acidovorax faecilis、Aspergillus fumigatus、Comamonas sp.、Pseudomonas lemoignei和Variovorax paradoxus，在活性污泥中分離出的 Alcaligenes faecalis和 Pseudomonas sp.，在海水中發(fā)現(xiàn)的Comamonas testosteroni，存在于厭氧污泥中 Ilyobacter delafieldii，以及在湖水中發(fā)現(xiàn)的Pseudomonas stutzeri對(duì) PHA 均具有降解能力［34］。Y.S.Salim等通過(guò)對(duì)不同組分的PHA在湖水和土壤環(huán)境中降解程度的研究，發(fā)現(xiàn)PHA在湖水經(jīng)過(guò)3～4個(gè)星期，土壤中經(jīng)過(guò)21～25個(gè)星期都可以被完全降解，可能是水的存在會(huì)促進(jìn)降解酶同聚合物的作用;PHBV系列中的定型區(qū)域要比PHB系列的大，PHBV的降解性能要比PHB的低［35］。

4.2 聚乳酸(PLA)的降解

PLA是由乳酸聚合而成的高分子聚酯化合物，具有優(yōu)越的生物可降解性和生物兼容性。環(huán)境中能夠降解PLA的微生物分布并不是很廣，因此PLA的生物降解性遠(yuǎn)低于其他生物可降解塑料。Pranamuda等［36］首次報(bào)道了 PLA能夠被Amycolatopsis sp.降解。后續(xù)報(bào)道顯示Amycolatopsis屬和 Saccharotrix屬的許多菌株都具有降解PLA 的能力［37-38］。1981 年，Williams［39］首次報(bào)道了來(lái)源于Tritirachium album的蛋白酶K對(duì)聚乳酸具有降解作用。此后，蛋白酶K一直作為一種公認(rèn)的PLA降解酶用來(lái)研究PLA及其混合物的降解特性。劉玲緋等［40］從土壤中篩選純化出的PLA降解菌株Bacillus sp.DSL09具有一定的PLA降解能力，其產(chǎn)PLA降解酶的最適條件為0.5%酪蛋白誘導(dǎo)、初始pH 8.0、接種量6%、37℃培養(yǎng)54 h。Wang 等［41］選 育 到 的 Pseudomonas sp.DS04-T菌株能夠優(yōu)先降解PLA，并從菌株發(fā)酵液中純化到一種分子量為34 ku的PLA解聚酶，質(zhì)譜分析顯示其降解產(chǎn)物僅為乳酸，未見(jiàn)其他寡聚體。Lentzea waywayandensis菌株在30℃下，經(jīng)過(guò)4 d，對(duì)PLA的降解率可達(dá)94%;此外，該菌還可以降解PLA-PEG共聚物、PLA-GA共聚物、PLAPHB 共聚物和PLA-TS共聚物［42］。

5 小 結(jié)

發(fā)展生物可降解塑料是解決塑料處理問(wèn)題的重要方法。塑料的生物可降解性主要取決于塑料的物化性質(zhì)，環(huán)境的溫度、濕度、通風(fēng)情況、土壤組成等對(duì)微生物降解速率也都有影響。通過(guò)對(duì)微生物降解機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)降解酶在降解過(guò)程起到最重要的作用，但目前分離出的酶的活性普遍偏低，酶量也不高，這都限制了生物可降解塑料在環(huán)境中的生物降解。

因此，高效降解菌的選育及降解酶的分離純化仍是目前研究生物可降解塑料生物降解的主要方向。值得注意的是目前對(duì)可降解塑料降解單體或低聚體的分析和重新利用方面的研究較少。而生物可降解塑料目前仍未能廣泛推廣使用的原因就是其生產(chǎn)成本普遍偏高，如能將其降解后的單體或低聚體回收利用，將會(huì)有效地降低其成本，進(jìn)一步促進(jìn)生物可降解塑料的推廣應(yīng)用。

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