微生物对塑料的降解

在我们日常生活中使用着各种一次性塑料制品，如在食堂买饭时使用的塑料袋、塑料饭盒，还有一次性的塑料瓶等，塑料制品充斥在人类衣食住行的方方面面。但是这些传统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，其化学结构复杂多变，并且化学性质十分稳定，在环境中自然降解的时间要长达200年，因此对环境造成了严重的污染[1]。而生物降解因其低能耗并且降解的最终产物均为二氧化碳和水这种环境友好型产物，所以广泛受到人们关注，国内外研究学者也一直在致力于研究用生物来降解塑料的方法。

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构成，它是指通过自然界中已有的微生物(如细菌、真菌、放线菌等)的生理作用而发生降解并且以无毒害的产物回归大自然参与到碳素循环中的一种高分子。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为两种[2]，一种是以石油为主要的原料再经过一系列的生产加工得到的生物可降解型塑料，如聚己内酯(Polycaprolacton，PCL) 、聚琥珀酸丁二醇酯(Poly(butylene succinate ) ，PBS ) 、聚 乙 烯 醇( polyvinyl alcohol，PVA)等;另一种则是以可再生的植物资源如作物中的淀粉，或是碳源经过各种化学反应如发酵得到的不同结构的聚合物为原料生产出来的生物质塑料，如聚羟脂肪酸酯( polyhydroxyalkanoates，PHA)、聚乳酸(Polylac_x0002_tic acid，PLA)等[3-4]。（目前国际上早已形成了完整的可降解塑料的标准测试方法体系[5]。）

2 生物降解塑料的机理

一般认为，生物降解过程实际上是由特定的微生物和降解酶来完成的，主要分为两步。第一步微生物释放水解酶与塑料表面的受体特异性结合，使之水解为分子量小于500的脂肪酸或脂类物质；第二步是前一过程的生成的小分子酸或脂类物质进入到微生物体内参与其生理代谢过程，从而进一步分解为水和二氧化碳并为细胞提供能量[6]。

根据降解过程的机理与破坏塑料结构的方式的不同，生物降解塑料可分成完全生物降解和生物破坏性降解两类[7]。

2.1 完全生物降解

完全生物降解是指塑料高分子物质在具有降解功能的微生物作用下，导致其主链断裂，进而逐渐被分解成为各种小分子物质的过程，如：水，二氧化碳，氨。这个过程也可以看做塑料被细菌、真菌等微生物同化吸收的过程[8]。主要可以分为三种方式：

（1）生物的物理作用：由于可降解塑料的微生物其细胞在形态结构上的增长而导致的机械性的破坏。

（2）生物的化学作用：由于特定的微生物对聚合物的发生了特异性反应而产生了新的物质。

（3）酶的直接作用：由于微生物将高分子塑料部分侵蚀而导致材料的部分破碎分解或是氧化分解。

2.2 生物破坏性降解

这是一种不完全的降解的方式，主要是利用天然的杂链高分子，如：淀粉、纤维素等的微生物可降解性，再加上过氧化反应的一种综合降解过程。该方式适用于降解共聚手段合成的塑料。

3 目前的生物降解技术

目前国内外科学工作者研究发现并开发的主要有四种生物降解技术：黄粉虫幼虫降解聚苯乙烯泡沫塑料、混菌系统降解PET 技术、细菌催化消化酶分解PET 技术、微生物分解PAEs技术[9]。

3.1 黄粉虫幼虫降解聚苯乙烯泡沫塑料

聚苯乙烯由于其高分子量和高稳定性，自然环境中很难被降解，大家普遍认为它是微生物无法降解的一类塑料。

北京航空航天大学杨军教授和深圳赵姣博士等人经过长时间的合作研究，证明了黄粉虫即我们常说的面包虫的幼虫具有降解聚苯乙烯类塑料的作用。他们将聚苯乙烯泡沫塑料添加到黄粉虫幼虫的生长环境中，并阻隔了其他食物来源，结果黄粉虫幼虫可存活1 个月以上，并能最终发育成成虫，更神奇的是其最高生长量可达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为二氧化碳或被同化为虫体的脂质。这个实验也为我们提供了一个新的思路，推动了科研工作者们进行更深入的研究。

3.2 混菌系统降解PET 技术

天津大学本科生团队研究出了一种混菌体系可以高效降解塑料。我们都知道，由于食物，水，营养物质的有限，同种或多种菌群很难在同一系统中共同生长，而该系统的优点就在于可以让不同菌种在系统中实现“和平共处”。而实现这一目标的关键在于一种十分巧妙的代谢方式，它可以大大降低菌与菌之间对营养物质、生存空间的争夺，来保持混菌系统的稳定，并且这些菌可以相互协作，更高效的完成对塑料的降解。降解的大致过程为系统中的一部分细菌先工作，将塑料大分子降解成可被后续利用的小分子，另一部分细菌再将这些小分子物质吸收或转化分解为对环境无害的物质。该混菌系统通过实验证实可以完全降解一些生活中常见的塑料如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。

文章来源：《塑料》 网址: http://www.slzzs.cn/qikandaodu/2020/1010/373.html