塑料的微生物降解

曹潇文 高馨竹

摘  要：塑料在人们的日常生活中随处可见，为我们带来了便利，但塑料废品在自然条件下难以降解，也给环境带来了巨大压力。利用微生物降解是目前处理塑料废物而且对环境资源友好的措施之一。現从微生物降解塑料的基本概念、相关原理，塑料降解菌的种类，微生物降解塑料具体应用及研究技术的发展等方面进行分析并根据当下生物技术等的发展情况提出展望。

关键词：塑料  微生物  降解  环境污染

中图分类号：x50;x172                         文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2020）09（c）-0075-03

Abstract： Plastic can be seen everywhere in people's daily life， which brings us convenience. However， plastic waste is difficult to degrade under natural conditions， which also brings great pressure to the environment. The use of microbial degradation is one of the current measures to deal with plastic waste， and it is friendly to environmental resources. Now it is analyzed from the basic concepts and related principles of microbial degradation of plastic， the types of plastic degradable bacteria， the specific application of microbial degradation of plastic and the development of research technology， and puts forward the prospect according to the development of biotechnology.

Key Words： Plastics; Microorganism; Degradation; Environmental pollution

塑料多为聚苯乙烯等高分子化合物制成，化学性质十分稳定且结构多变，在自然条件下分解困难，长期积累的问题难以解决。随着塑料产量和使用量的增加，估计每年有500～1364万t塑料进入海洋，对65个不同的生态系统以及人和动物的健康造成负面影响。

目前学术界尝试通过培养合适的微生物，来完成塑料的生物降解，通过微生物降解能耗低且产生环境友好型降解终产物，是目前主要解决塑料污染的方法之一。

1  基本概念和相关原理

微生物降解塑料主要是指一类由自然界存在的微生物如细菌、霉菌（真菌）的作用而引起塑料成分的分解，产生无毒害产物回归大自然参与到碳素循环[1]。微生物降解的塑料主要分为两种：一种是生物质塑料，利用淀粉、碳源等植物可再生资源经过化学反应产生的不同结构聚合物为原料生产出来，如聚乳酸（PLA）、聚羟脂肪酸酯（PHA）等;另一种生物可降解型塑料，是以石油为主要原料生产出来，如聚己内酯（ PCL）、聚乙烯醇（PVA）等[1]。

一般来说，微生物降解塑料是微生物释放的多种酶，如脂酶、解聚酶、酯酶、蛋白酶K（能降解聚乳酸）、角质酶、脲酶和脱水酶等，与塑料表面特异性受体结合，水解或氧化高分子是成为分子量小于500的脂肪酸或脂类物质，这些低聚物或其降解产物将进入微生物体内，通过经典的降解途径产生能量或作为分解代谢或新陈代谢的基石，最终分解为水和二氧化碳[2]。

许多塑料降解菌释放的降解酶是从植物聚合物降解酶进化而来的，这类酶能够攻击合成塑料的聚合物骨架。例如，角质酶可以水解角质，参与木质素代谢的几种酶也参与了低密度聚乙烯（LDPE）的降解[3]。

2  降解塑料的微生物

目前对塑料降解微生物的研究主要针对于陆地和近海，有30多个属的细菌真菌在陆地环境中的研究中被报道，它们主要为PET降解菌：链球菌属（Streptococcus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、葡萄球菌属（Staphylococcus）、芽孢杆菌属（Bacillus）等;PE降解菌：代尔夫特菌属（Delftia）、假单胞菌属（Pseudomonas）、寡养单胞菌属（Stenotrophomonas）、无色菌属（Achromobacter）与丛毛单胞菌属（Comamonas）等;还有其他不同塑料种类的不同降解菌。表1大体总结了目前已报导的来自各种生境的某几类塑料的主要降解细菌和真菌的相关信息[4]。

3  微生物降解塑料具体应用

3.1 海洋微塑料的微生物降解

目前大量的塑料垃圾在近海、大洋水体和沉积物中均广泛存在，全球每年约有1亿多t塑料垃圾埋进填埋场，1.5亿t进入陆地、湖泊、海岸线、大洋表面、海底乃至深渊，塑料垃圾约占海洋固体废物的80%。进入海洋的塑料会逐渐碎片化，较大的塑料破碎成微米和纳米级的塑料小块（MP，尺寸小于5mm;NP，尺寸小于0.1μm），以微塑料的形式存在与大洋中[5]。

海洋微生物首先接触塑料，在其表面形成生物膜，后再降解塑料垃圾。大洋深海是天然多聚物及塑料等难降解多聚物沉积之地，也是许多大分子多聚物降解菌栖息的场所。但这类降解菌很难被人工培养，可以从降解基因入手，利用高通量测序获得的数据进行下一步研究。目前有關海洋的塑料降解菌的报道还较少，研究主要集中在近海菌体的富集分离工作，其中包括PE、PP、PVC等塑料降解菌，如假单胞菌属（Pseudomonas）、短小芽孢杆菌（Bacilluspumilus）、枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）等[6]。有研究发现某些海洋多毛动物可以啃食PE塑料泡沫，产生微塑料，在缺乏营养的深海环境中，海洋软体生物体内是否有可以降解塑料的微生物是人类需要进一步探索的问题。

3.2 石油基塑料的微生物降解

常见的聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET）、聚乙烯 （PE）、聚苯乙烯 （PS）、聚丙烯 （PP）、聚氯乙烯 （PVC）、聚氨酯 （PUR） 等都属于石油基塑料[7]。石油基塑料一般具有高疏水性、高化学键能以及高分子量的特点而很难被微生物降解。目前发现的有降解能力的微生物仍较少且降解效率较低，在此方面的研究主要致力于微生物资源的找寻，降解机理的研究，塑料降解微生物的关键基因与关键酶。

聚苯乙烯塑料 （PS） 微生物降解：PS材料具有很强的耐性及不易降解性，科学家们陆续发现了不同属的微生物有降解PS的能力但效率都较慢（见表1）。最近据报道，无脊椎动物可以降解不同的塑料，黄粉虫肠道中的柠檬酸杆菌属（Citrobacter）和黄粉菌属（Kosakonia）细菌是PE和PS的主要降解者，昆虫肠道细菌的发现为以后PE等降解的研究带来了新思路。

聚氨酯塑料（PUR）微生物降解[8]：目前降解PUR塑料的微生物大都是从垃圾场或土壤中分离得出，多可降解聚酯型PUR，对于聚醚型效果较差，还需开发改进更多分离筛选方法，从更多场所获取多类型菌株;目前只获得了4种来自细菌的PUR降解基因且只有长链分子分解酶被关注，真菌来源基因与其他酶类基本未见报道;不同状态塑料包括非水溶态、凝聚态等对降解效率的影响需深入研究。

聚氯乙烯塑料（PVC）微生物降解：作为生产频率第三的聚合物[2]，有巨大的全球产量。但几乎没有关于这种聚合物的微生物降解的可靠信息。只有几个报告描述了使用混合物种微生物群落的PVC降解情况，但这些报告很可能被化学添加剂而不是聚合物的降解所误导。这种高分子聚合物的降解没有明确的酶或途径是已知的。

3.3 聚乳酸塑料的微生物降解

聚乳酸，即聚丙交酯（PLA），是一种合成高分子材料，有优秀的生物可降解性[9]。以从植物中提取的淀粉为原料，经过酶分解、乳酸菌发酵、化学提纯后得到的良好生物相容性的高纯度聚乳酸。聚乳酸制品废弃后埋在地下，经微生物降解之后变成二氧化碳、有机肥料等，回归到大自然。

4  微生物塑料降解研究技术的发展

随着新的塑料降解菌和相应酶的发现及针对提高特定塑料降解酶的催化效率的研究，已经得到了人们的极大关注，但微生物降解塑料这一生物过程仍有一主要瓶颈：极慢的生物降解率。未来可以在利用物理和化学工艺促进塑料生物降解，蛋白质工程提高塑料降解酶的催化活性，以及在丰富的微生物群落中发展共养和交叉喂养机制这两方面提高生物降解率[5]。

在自然界中，塑料的生物降解不是发生在微生物和聚合物之间的孤立现象，而是一个复杂的多因素参与事件。非生物因素与生物因素在塑料碎裂中都起着重要作用[10]。通过改善塑料的亲水性、缩短聚合物链长、减少结晶区的数量、促进更多可用的易碎键（如酯或酰胺）对抗碳碳键，可以提高塑料的生物降解性，此外还有预处理、与高度可生物降解的聚合物混合以及使用生物表面活性剂等策略。

随着遗传工程和合成生物学的兴起，通过基因工程、蛋白质工程等菌种改良来扩大微生物在降解塑料中的使用。构建工程菌过度表达编码塑料降解酶的基因，或者通过合理的蛋白质设计或定向进化，比如对酶的氨基酸序列进行修饰以提高催化效率是方法之一。定向进化包括对微生物施加选择压力，诱导各种形式的随机突变，筛选使蛋白质以所需方式改变的基因变化，筛选高效降解酶基因。

在自然生态系统中，没有任何有机体生活在绝对孤立的环境中[5]。微生物之间表现出复杂的相互作用，从互惠、共生、交叉喂养机制（代谢协作）到拮抗、捕食和寄生。对资源和空间的竞争可能会导致有毒化合物的分泌，但也可能导致合作形式，从而更有效地开发资源。强化的微生物混合群落产生协同效应的能力，可以帮助降解复杂和顽固的底物。

5  展望

面对如此严重的“白色污染”问题，采用微生物学手段解决是当下环境友好的、资源利用率较高的主要研究的方法。使用合成生物学产生微生物，从塑料垃圾中产生高价值的可以循环利用的化合物将是未来的挑战之一。获得具有塑料降解活性的酶并将其用于从塑料垃圾中生产真正的生物聚合物是一项非常有价值的研究任务，降解后形成的单体和低聚物可以用来构建增值产品，甚至可以用来制造新的可生物降解的聚合物。

微塑料已经产生了几十年，在陆地、水和空气中广泛传播，如何检测和处理环境中的微塑料，尤其是海洋中的微塑料，一直是一个难题，现在可以用生物技术来回答。海洋微塑料问题的一个解决方案是使用依赖于膜技术的系统和固定化塑料降解微生物或降解酶。此外，开发生物传感器检测、量化环境中的微塑料也是方法之一[3]。

参考文献

[1] 程若瑶.微生物对塑料的降解[J].化工管理，2020（5）：101-102.

[2] 微生物降解塑料技术介绍[J].宁波化工，2017（3）：47-48.

[3] Danso D， Chow J， Streit W R. Plastics： Microbial Degradation， Environmental and    Biotechnological Perspectives[J]. Applied and environmental microbiology，2019：AEM. 01095-19.

[4] 邵宗泽，董纯明，郭文斌，等.海洋微塑料污染与塑料降解微生物研究进展[J].应用海洋学学报，2019，38（4）：490-501.

[5] Jenkins S， Quer A M， Fonseca C， et al. Microbial Degradation of Plastics： New Plastic Degraders， Mixed Cultures and Engineering Strategies[J]. Soil Microenvironment for Bioremediation and Polymer Production， 2019： 213-238.

[6] 徐翠.海洋微塑料污染及生物降解研究进展分析[J].科技创新导报，2020，17（2）：119-120.

[7] 许楹，殷超凡，岳纹龙，等.石油基塑料的微生物降解[J].生物工程学报，2019，35（11）：2092-2103.

[8] 彭瑞婷，夏孟丽，茹家康，等.聚氨酯塑料的微生物降解[J].生物工程学报，2018，34（9）：1398-1409.

[9] 潘招银，蔡培展.聚乳酸：让微生物降解塑料[J].广州化工，2019，47（5）：11-12.

[10] 刘春.生物可降解塑料的开发进展[J].现代塑料加工应用，2020（3）：60-63.