可降解塑料的微生物降解研究进展

毛海龙，白俊岩，姜虎生，王战勇

(辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁 抚顺 113001)

随着科技的发展和全球人口的增长，塑料被广泛的应用于日常生活和工业的各个方面。然而，绝大多数的传统塑料，像聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)等，是不可生物降解的，对环境造成了严重的污染。为了解决传统塑料带来的环境污染问题，生物可降解塑料应运而生［1］。通常意义上的生物可降解塑料主要包括2类:一类是以传统的石油来源的原料生产的生物可降解塑料，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;另一类则是以生物质和可再生资源生产的生物质塑料，如聚羟脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates，PHA)、聚乳酸(Polylactic acid，PLA)等［2-3］。目前，对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学性质用以替代传统的通用塑料。事实上即使是生物可降解塑料也是存在一定的降解周期的，仅仅是依靠其在自然界自行降解是远远不够的。进一步应该考虑的问题是真正实现其生物降解，尤其是石油来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，主要包括微生物类型和聚合物特性等，而加到聚合物中的增塑剂和添加剂等都在生物降解过程中起着重要作用［6-7］。本文将从作为降解底物的塑料和降解微生物及降解酶2个方面对生物降解塑料做综述，涉及微生物及其降解酶对塑料的降解机理及对生物降解进行调控的若干因素。

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、活性污泥等环境中。微生物分泌的降解酶附着于塑料底物上催化其水解成为寡聚体、二聚物和单体，最终水解产物由微生物转化为CO2和H2O。一般来说在含有乳化聚合物的琼脂平板上接种微生物后，菌落周围会出现透明圈，说明形成该菌落的微生物能够降解相应的聚合物［8］。

2 影响生物可降解塑料的因素

塑料的可生物降解性与塑料本身的性质有着直接的关系。塑料表面性质、一级结构和更高层次的结构都会影响其生物降解性。一般来说，聚合物的支链、分子量、结晶度、熔化温度越高，越难以降解。聚合物链间的相互作用主要影响焓值，聚合物的内转动能则对熵值有着主要的影响，焓值和熵值共同作用影响聚合物的熔化温度(Tm值)，Tm 值越高越难降解［9-10］。

3 石油原料合成的脂肪族聚酯的降解

3.1 聚ε-己内酯(PCL)的降解

PCL是以ε-己内酯为原料合成的开环聚合物，有着较低的Tm值(60℃)和玻璃转化温度(－60℃)。在海洋、污泥、土壤以及堆肥环境中PCL都可以完全被降解，因此PCL的应用得到广泛的关注，关于PCL降解的研究也越来越多［11］。

PCL降解菌Alcaligenes faecalis在30℃条件下，经过45 d的培养，对PCL薄膜的降解率可达83%，经过68 d可实现PCL的完全降解。PCL薄膜随着降解时间的延长，其结晶度也随之升高，进一步表明PCL薄膜最先被降解的是其非结晶区域［12］。Li等［13］从土壤中筛选的1 株 PCL 降解菌Penicillium oxalicum DSYD05-1对PCL亦有着较高的降解率。PCL薄膜在P.oxalicum DSYD05-1的作用下，经过10 d完全降解。发酵液中PCL解聚酶的酶活最高可达14.6 U/mL。该菌株对PBS、PHB亦有着良好的降解性能，但不能够降解PLA。有报道以PCL为唯一碳源，从土壤中筛选出1株嗜热菌株Streptomyces thermoviolaceus subsp.76T-2。该菌株在45℃下经过6 h培养，可将培养基中的PCL乳化物完全降解。从发酵上清液中分离出分子量为25 ku和55 ku的2种PCL降解酶，其中分子量为25 ku降解酶是一种几丁质酶，而目前已分离得到的PCL降解酶主要是酯酶［14］。有研究利用Rhizopus arrhizus脂肪酶降解经不同温度(－78、0、25、50 ℃)处理后的 PCL来评估其感受性。－78℃处理后的PCL薄膜的感受性最高，随着PCL处理温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随着拉伸比率的增长而降低［15］。

PCL的共混改性研究应该在保证其可降解性能的前提下，改变PCL原有性质，使其满足某些特定的需求。例如，PHBV/PCL共聚物可应用于药物载体系统［16］，PCL/β-TCP共聚物可作为骨骼支架材料［17］，PCL/PLA共聚物可作为神经末梢修复工程中的支架等［18］。有文献报道PCL/PVC的共聚物具有良好的抗紫外性能，同时还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为原料聚合而成的脂肪族聚酯，与其他聚酯相比，具有成本低、力学性能好和加工性能优异等优点［10］。

李凡等［20］从活性污泥中分离出1株能够降解PBS的菌株Aspergillus versicolor DS0503，并对其分生孢子进行紫外线复合氯化锂诱变，突变株PBS降解酶的酶活力比原始菌株提高14.1%。有研究从土壤中分离出PBS降解菌株Pseudanonas aeruginosa，该菌株经过30 d可使PBS的数均分子量由8.34 ×104下降到 6.69 ×104，下降比例为19.80%［21］。有研究从农田土壤中分离出菌株Fusarium solani，在土壤环境中，经过14 d，对PBS的降解率达到2.8%，而另外一株不能够降解PBS的菌株Stenotrophomonas maltophilia YB-6，能够与F.solani协同促进 PBS的降解［22］。笔者亦分离到1株具有PBS降解能力菌株Fusarium sp.，在液体培养条件下对PBS薄膜具有明显的降解效果。

PBS同其他生物可降解物质形成的共聚物，可明显改变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，有报道从稻叶上筛选出菌株P.antarctica能够降解PBS和PBSA。该菌株在堆肥环境中，经过4周对PBSA的降解率达到28.2%，6周对PBSA的降解率达到80%。从该菌株分离出一种分子量为22 ku的酯酶，该酶在以p-NPB为底物时，测得的酶活力为(715.33±124.44)U/mg［23］。PBSLA是将低聚乳酸同PBS共混形成的一种新的生物可降解塑料，而PBSLA的结晶度随着低聚乳酸的增加而降低，远低于PBS的结晶度。相应降解酶作用24 h，PBSLA可被完全降解［24］。

3.3 聚乙烯醇(PVA)的降解

PVA是一种水溶性的合成聚合物，具有一定的热稳定性，同时有着一定的黏度，是重要的化工原料。PVA同样具有生物可降解性能，适当环境下，可被微生物降解［25-26］。PVA的降解性能可能与PVA的聚合度、皂化度、主链的规整度、乙烯和乙二醇的比例有关系。微生物降解PVA，需要分泌特定的酶作用于PVA链上的特定的基团，链越不规整越难降解;而乙烯和乙二醇比例的不同，同样会对PVA的降解有较大的影响［27］。

有报道从染料工厂的活性污泥中筛选分离出1株PVA降解菌株Sphingopyxis sp.PVA3。在以PVA乳化液为唯一碳源，pH 7.2、30℃条件下，经过6 d培养，PVA降解率可达90%。在研究中还发现随着培养时间的延长，PVA的分子量逐渐降低［26］。Tsujiyama等选出 1株 PVA降解菌株Flammulina velutipes，该菌株在含有PVA的双层琼脂培养基上可形成明显的透明圈。但在液体培养基中并未表现出降解特性，而在以石英砂为载体的培养基中表现出较好的降解特性。通过对降解后PVA及降解产物的分析，推测出PVA的降解过程可能是由降解酶首先氧化规整部位的羟基，进一步使羟基结构解聚，形成小分子再由菌体吸收利用［28］。菌株 Fomitopsis pinicola对 PVA同样有着很好的降解性能，与菌株F.velutipes相比，F.pinicola对不同分子量的PVA都有着一定的降解能力［29］。

4 可再生资源合成塑料的降解

4.1 聚羟基脂肪酸酯(PHA)的降解

PHA是由微生物合成的一类胞内聚酯，具有类似于合成塑料的物化特性及合成塑料所不具备的生物可降解性、生物相容性、光学活性、压电性、气体相隔性等许多优越性能。常见的PHA主要是聚羟基丁酸酯(Poly-β-hydroxybutyrate，PHB)、聚羟基丁酸戊酸酯共聚酯(poly(hydroxybutyrateco-hydroxyvalerate，PHBV)、聚 3-羟基丁酸-4-羟基丁酸共聚酯(Poly 3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate，P3，4HB)等［30-31］。微生物可以把 PHB 和PHBV作为一种能量来源，而PHB和PHBV的降解也依靠微生物的活动环境、表面区域结构、环境容量、湿度以及其他营养材料［32］。

Mergaert等［33］从土壤中筛选到295种微生物可降解PHB和PHBV，包括105种革兰阴性菌，36种芽胞杆菌属，68种放线菌和86种霉菌。目前已在多种环境中分离出大量可以降解PHA的微生物。在土壤中发现的Acidovorax faecilis、Aspergillus fumigatus、Comamonas sp.、Pseudomonas lemoignei和Variovorax paradoxus，在活性污泥中分离出的 Alcaligenes faecalis和 Pseudomonas sp.，在海水中发现的Comamonas testosteroni，存在于厌氧污泥中 Ilyobacter delafieldii，以及在湖水中发现的Pseudomonas stutzeri对 PHA 均具有降解能力［34］。Y.S.Salim等通过对不同组分的PHA在湖水和土壤环境中降解程度的研究，发现PHA在湖水经过3～4个星期，土壤中经过21～25个星期都可以被完全降解，可能是水的存在会促进降解酶同聚合物的作用;PHBV系列中的定型区域要比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，具有优越的生物可降解性和生物兼容性。环境中能够降解PLA的微生物分布并不是很广，因此PLA的生物降解性远低于其他生物可降解塑料。Pranamuda等［36］首次报道了 PLA能够被Amycolatopsis sp.降解。后续报道显示Amycolatopsis属和 Saccharotrix属的许多菌株都具有降解PLA 的能力［37-38］。1981 年，Williams［39］首次报道了来源于Tritirachium album的蛋白酶K对聚乳酸具有降解作用。此后，蛋白酶K一直作为一种公认的PLA降解酶用来研究PLA及其混合物的降解特性。刘玲绯等［40］从土壤中筛选纯化出的PLA降解菌株Bacillus sp.DSL09具有一定的PLA降解能力，其产PLA降解酶的最适条件为0.5%酪蛋白诱导、初始pH 8.0、接种量6%、37℃培养54 h。Wang 等［41］选 育 到 的 Pseudomonas sp.DS04-T菌株能够优先降解PLA，并从菌株发酵液中纯化到一种分子量为34 ku的PLA解聚酶，质谱分析显示其降解产物仅为乳酸，未见其他寡聚体。Lentzea waywayandensis菌株在30℃下，经过4 d，对PLA的降解率可达94%;此外，该菌还可以降解PLA-PEG共聚物、PLA-GA共聚物、PLAPHB 共聚物和PLA-TS共聚物［42］。

5 小 结

发展生物可降解塑料是解决塑料处理问题的重要方法。塑料的生物可降解性主要取决于塑料的物化性质，环境的温度、湿度、通风情况、土壤组成等对微生物降解速率也都有影响。通过对微生物降解机理的研究发现，相应降解酶在降解过程起到最重要的作用，但目前分离出的酶的活性普遍偏低，酶量也不高，这都限制了生物可降解塑料在环境中的生物降解。

因此，高效降解菌的选育及降解酶的分离纯化仍是目前研究生物可降解塑料生物降解的主要方向。值得注意的是目前对可降解塑料降解单体或低聚体的分析和重新利用方面的研究较少。而生物可降解塑料目前仍未能广泛推广使用的原因就是其生产成本普遍偏高，如能将其降解后的单体或低聚体回收利用，将会有效地降低其成本，进一步促进生物可降解塑料的推广应用。

［1］Tokiwa Y.，Calabia B.P.，Ugwu C.U.，et al.Biodegradability of Plastics［J］.International Journal of Molecular Sciences，2009，10(9):3722-3742.

［2］李琳琳，高佳，杨翔华，等.可降解塑料的生物降解性能研究进展［J］.湖北农业科学，2013，52(11):2481-2485.

［3］Babu R.P.，Connor K.O.，Seeram R.Current progress on bio-based polymers and their future trends Current progress［J］.Progress in Biomaterials，2013，2(8):4-16.

［4］Phua Y.J.，Lau N.S.，Sudesh K.，et al.Biodegradability studies of poly(butylene succinate)/organo-montmorillonite nanocompositesundercontrolled compostsoilconditions:Effects of clay loading and compatibiliser［J］.Polymer Degradation and Stability，2012，97:1345-1354.

［5］赵剑豪，王晓青，曾军，等.聚丁二酸丁二醇酯及聚丁二酸/己二酸-丁二醇酯在微生物作用下的降解行为［J］.高分子材料科学与工程，2006，22(2):137-140.

［6］陈诗江，王清文.生物降解高分子材料研究及应用［J］.化学工程与装备，2011，7:142-144.

［7］肖峰，王庭慰，丁培.PBS基共聚酯降解性能的研究概述［J］.中国塑料，2009，23(9):12-15.

［8］李成涛，张敏，白清友，等.聚丁二酸丁二醇酯生物降解酶及其催化性能研究［J］.环境科学与技术，2012，35(8):37-40.

［9］Tsuji H.，Miyauchi S.Poly(L-lactide):Effects of crystallinity on enzymatic hydrolysis of poly(l-lactide)without free amorphous region［J］.Polymer Degradation and Stability，2001，71(3):415-424.

［10］张昌辉，寇莹，翟文举.PBS及其共聚酯生物降解性能的研究进展［J］.塑料，2009，38(1):38-40.

［11］王蕾，张敏，田小艳，等.土壤中降解聚己内酯(PCL)微生物菌种的筛选及降解性能［J］.环境化学，2010，29(9):856-859.

［12］Khatiwala V.K.，Shekhar N.，Aggarwal S.，et al.Biodegradation of Poly(e-caprolactone)(PCL)Film by Alcaligenes Faecalis［J］.Journal of Polymers and the Environment，2008，16:61-66.

［13］Li F.，Yu D.，Lin X.M.，et al.Biodegradation of poly(e-caprolactone)(PCL)by a new Penicillium oxalicum strain DSYD05-1［J］.World Journal of Microbiology and Biotechnology，2012，28:2929-2935.

［14］Chua T.K.，Tseng M.，Yang M.K.Degradation of Poly(ε-caprolactone)by thermophilic Streptomyces thermoviolaceus subsp.thermoviolaceus 76T-2［J］.AMB Express，2013，3:8.

［15］Tokiwa Y.，Calabia B.P.M.Biodegradability and biodegradation of polyesters［J］.Journal of Polymers and the Environment，2007，15(4):259-267.

［16］Simioni A.R.，Vaccari C.，Re M.I.，et al.PHBHV/PCL microspheres as biodegradable drug delivery systems(DDS)for photodynamic therapy(PDT)［J］.Journal of Materials Science，2008，43(2):580-584.

［17］Lu L.，Zhang Q.W.，Wootton D.Biocompatibility and biodegradation studies of PCL/β-TCP bone tissue scaffold fabricated by structural porogen method［J］.Journal of Materials Science，2012，23(9):2217-2226.

［18］Sun M.Z.，Downes S.Physicochemical characterisation of novel ultra-thin biodegradable scaffolds for peripheral nerve repair［J］.Journal of Materials Science，2009，20(5):1181-1192.

［19］Martins-Franchetti S.M.，Campos A.，Egerton T.A.，et al.Structural and morphological changes in Poly(caprolactone)/poly(vinyl chloride)blends caused by UV irradiation［J］.Journal of Materials Science，2008，43(3):1063-1069.

［20］李凡，杨焕，郭子琦，等.聚丁二酸丁二醇酯(PBS)降解菌的筛选及降解特性研究［J］.东北师大学报(自然科学版)，2011，43(1):127-131.

［21］张敏，沈颖辉，李成涛，等.一株聚丁二酸丁二醇酯降解菌的分离鉴定［J］.生态环境学报，2012，21(4):775-779.

［22］Abe M.，Kobayashi K.，Honma N.，et al.Microbial degradation of poly(butylene succinate)by Fusarium solani in soil environments［J］.Polymer Degradation and Stability，2010，95(2):138-143.

［23］Hiroko K.K.，Shinozaki Y.，Cao X.H.Phyllosphere yeasts rapidly break down biodegradable plastics［J］.AMB Express，2011，1(44):2-11.

［24］Tan L.C.，Chen Y.W.，Zhou W.H.，et al.Novel poly(butylene succinate-co-lactic acid)copolyesters:Synthesis，crystallization，and enzymatic degradation［J］.Polymer Degradation and Stability，2010，95(9):1920-1927.

［25］Chiellini E.，Corti A.，Antone S.D.Biodegradation of poly(vinyl alcohol)based materials［J］.Progress in Polymer Science，2003，28(6):963-1014.

［26］Yamatsu A.，Matsumi R.，Atomi H..Isolation and characterization of a novel poly(vinyl alcohol)-degrading bacterium，Sphingopyxis sp.PVA3［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2006，72(4):804-811.

［27］Kawai F.，Hu X.P.Biochemistry of microbial polyvinyl alcohol degradation［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2009，84(2):227-237.

［28］Tsujiyama S.，Nitta T.，Maoka T.Biodegradation of polyvinyl alcohol by Flammulina velutipes in an unsubmerged culture［J］.Journal of Bioscience and Bioengineering，2011，112(1):8-62.

［29］Tsujiyama S.，Okada A.Biodegradation of polyvinyl alcohol by a brown-rot fungus，Fomitopsis pinicola［J］.Biotechnology Letters，2013，35:1907-1911.

［30］Chanprateep S.Current trends in biodegradable polyhydroxyalkanoates［J］.Journal of Bioscience and Bioengineering，2010，110(6):621-632.

［31］Chen G.Q.A microbial polyhydroxyalkanoates(PHA)based bio-and materials industry［J］.Chemical Society Reviews，2009，38:2434-2446.

［32］Luzier W.D.Materials derived from biomass/biodegradable materials［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences USA，1992，89(3):839-842.

［33］Mergaert J.，Webb A.，Anderson C.，et al.Microbial degradation of poly(3-hydroxybutyrate)and poly(3-hydroxybutyrateco-3-hydroxyvalerate)in soils［J］.Apply Environment Microbiology，1993，59(10):3233-3238.

［34］Zhou H.，Wang Z.，Chen S.，et al.Purification and characterization of extracellular poly(β-hydroxybutyrate)depolymerase from Penicillium sp.DS9701-D2［J］.Polymer-plastics Technology and Engineering，2009，48(1):58-63.

［35］Tseng M.，Hoang K.C.，Yang M.K.，et al.Polyester-degrading thermophilic actinomycetes isolated from different environment in Taiwan ［J］.Biodegradation，2007，18(5):579-583.

［36］Pranamuda H.，Tokiwa Y.，Tanaka H.Polylactide Degradation by an Amycolatopsis sp.［J］.Apply Environment Microbiology，1997，63(4):1637-1640.

［37］Nakamura K，Tomita T，Abe N，et al.Purification and characterization of an extracellular poly(L-lactic acid)depolymerase from a soil isolate，Amycolatopsis sp.strain K104-1［J］.Apply Environment Microbiology，2001，67(1):345-353.

［38］Jarerat A，Tokiwa Y，Tanaka H.Microbial poly(L-lactide)degrading enzyme induced by amino acids，peptides and poly(L-amino acids)［J］.Journal of Polymers and the Environment，2004，12(3):139-146.

［39］Williams D F.Enzymatic hydrolysis of polylactic acid［J］.Eng.Med，1981，10:5-7.

［40］刘玲绯，李凡，林秀梅，等.1株聚乳酸降解细菌的筛选鉴定及产酶研究［J］.微生物学杂志，2011，31(5):7-13.

［41］Wang Z.Y.，Wang Y.，Guo Z.Q.，et al.Purification and characterization of poly(L-lactic acid)depolymerase from Pseudomonas sp.strain DS04-T［J］.Polymer Engineering ＆Science，2011，51(3):454-459.

［42］Nair N.R.，Nampoothiri K.M.，Pandey A.Preparation of poly(L-lactide)blends and biodegradation by Lentzea waywayandensis［J］.Biotechnology Letters，2012，34(11):2031-2035.