聚乙烯醇微生物降解研究进展

刘云柯，周云横，卫亚红,b,c

(西北农林科技大学a生命科学学院，b旱区生物质能研究中心，c旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西 杨凌 712100)

当今环保形势愈发严峻，生物可降解材料越来越受到人们的青睐。聚乙烯醇(PVA)作为一种具有独特良好性能且可生物降解的高分子材料更是受到格外关注，被认为是最富前景的化工原料之一[1-2]。PVA因具有耐磨性、强韧性、强力粘结性和皮膜柔韧性等良好性能，被广泛应用于农业、纺织、医疗、食品、建筑和高分子化工等行业，在全球范围内的产量和消费需求都在迅猛增加。大量使用势必会导致大量废弃，废弃PVA虽然本身无毒性，但其具有较大的表面活性，能在水中形成大量泡沫，导致水体富氧，从而抑制甚至破坏水生生物的呼吸活动，改变水体的生态平衡[3]。本研究在总结相关文献的基础上，对PVA降解微生物、菌群应用模式、降解机理进行重点介绍和讨论，并分析PVA生物降解研究的发展趋势，以期为PVA的科学利用及降解提供参考。

1 PVA降解菌研究现状

据统计，PVA的产量较其他任何水溶性的人工合成聚合物都要多。近年来，在世界经济复苏乏力、国内经济增速放缓、原油价格持续下滑、化工产品价格大幅下跌的大背景下，我国PVA产量及其增长率依然有所提高。2014-2015年我国PVA工业主要产品产量、销量情况见表1[4]。

表1 2014-2015年我国PVA工业主要产品产量、销量及其增减情况Table 1 Production,and sale and growth of main PVA products in China from 2014 to 2015

PVA在自然条件下不易被降解，采用物理化学等处理方法可能存在成本高和二次污染等问题[5]。相比之下，生物降解PVA显得更加经济和高效。有关研究发现，PVA的基本链式结构中含有可被微生物降解的糖类或脂肪酸支链[6]，因此，筛选具有高效降解能力的微生物,优化其降解方式，对于减少PVA废弃物对环境的污染具有重要意义。

自20世纪30年代以来，研究者从环境中分离出了许多可降解PVA的单一微生物或共生种群，如PseudomonasO-3[7]、P.vesicularisPD[8]、P.putida[9]、Bacillusmagaterium[10]、Acinetiobactorsp.[11]、Xanthamonassp.[12]和SB68+SB69[13]。

目前，大部分降解研究体系中PVA的含量远低于工业生产排放废水中的PVA含量，因此还不能满足实际应用的需要[14]。PVA降解微生物的筛选和应用研究显得更加重要和紧迫。

2 PVA降解菌的应用模式

PVA降解微生物的存在与应用模式较为多样，目前可分为单菌模式、共生双菌模式和混合菌群模式3种。

现阶段，研究人员筛选到的PVA降解菌一般来自含有PVA残留物的土壤、污泥、堆肥和废水等[15]，分离物主要是能够降解PVA的单株菌种，包括细菌、真菌和放线菌，其中细菌类以假单胞菌属最多[16]。Suzuki[17]1973年从土壤中分离筛选到第1株PVA降解细菌PseudomonasO-3。郭乐乐等[18]从含有塑料的垃圾堆和覆膜农田土壤中分离得到PVA降解菌1-21。Mori等[10]筛选到的共生类PVA降解菌BX1，以及Qian等[19]所筛选到的可降解PVA的真菌Penicilliumsp.WSH02-21，均分离自纺织厂的活性污泥。Maiti等[20]则从好氧堆肥中筛选获得了15 d内能够完全降解PVA的子囊菌类Penicilliumdaleae。Matsumura等[21]从日本河水中分离得到能降解PVA的粪产碱菌AlcaligenesfaecalisKK314。Chung等[22]从纺织厂的废水中分离筛选到2株PVA降解细菌KCCM 10507和KCCM 10508。除此以外，国内外科研人员还获得了具有高效降解能力的单株菌种包括PseudomonasborealisO-3、Pseudomonassp.VM15C(PseudomonasputidaVM15A)、GeotrichumfermentansWF9101和Penicillliumsp.WSH02-21等[17,23-28]。然而有报道称，单一微生物降解PVA的周期较长，酶产量低且不能彻底降解PVA[28-29]。

近年来，很多研究团队开始侧重于混合菌的PVA降解研究。Shimao等[30]首次提出PVA的生物降解可由共生细菌同化完成，并分离出Pseudomonassp.VM15C和PseudomonasputidaVM15A 2种细菌。Vaclavkova等[31]从废水处理厂中分离出1对共生PVA降解细菌Shingomansasp.OT3和Rhodocococcuserythropolis，其中前者能为后者提供所需生长因子。但总体来看，有关混合菌的研究报道仍然较少。

采用混合菌群模式降解PVA，虽可提高降解率或提高降解酶的产量，但菌种之间并不一定是共生关系[32]。目前，关于混合菌群模式降解PVA的研究较为活跃。张洁等[33]从垃圾填埋场筛选出的混合菌群，可完全降解初始质量浓度2 g/L的PVA；Chiellini等[34]从造纸厂污水处理系统的污泥中得到1个混合细菌体系，驯化后该混合菌系适合降解一些低分子量的PVA，但未分离出能够单独彻底降解PVA的纯菌株。陈朝琼[35]将PVA降解中间产物羟基酮的高效降解菌S-1和 β-双酮降解菌T-4及PVA降解菌红球菌P-2和共生菌B1、B2，制成复合微生物菌剂进行废水处理，发现其对PVA的降解效果优于活性污泥。郭雅妮等[36-37]研究发现，其所分离得到的混合菌系对PVA的降解效率远大于单菌株，并在此基础上进一步分析了PVA降解菌的复配组合及诱变处理效果。张洁等[33]和鞠喜等[38]还研究了混合菌系产PVA降解酶的条件，提高了混合菌系的产酶能力。

但无论采取哪种微生物降解模式，都存在诸多限制因素，如作用环境和工艺对PVA降解菌生理代谢的影响等。目前对此也已开展了很多研究，如陈朝琼等[39]和惠小双等[40]研究了PVA降解菌采用固定化工艺处理PVA废水的效果，发现酶经固定化后降解系统更加稳定且酶活力更持久。Chiellini等[41]试图采用堆肥方式对PVA废弃物进行生物降解处理，但发现高温堆肥不利于PVA的生物降解，相同时间内降解程度变差。王志刚等[42]利用水解酸化-好氧工艺研究PVA等物质的降解状况，发现混合菌系能将大分子物质很好地分解成小分子物质。Shi等[43]将酱渣、柠檬酸发酵渣添加到PVA中制作农用覆盖薄膜，有效提高了保水性能和薄膜的生物降解性能。

3 PVA降解菌的降解机理

微生物能够降解PVA的根本原因是菌种体内降解酶的降解作用。Kawagoshi等[44]从Pseudomonasvesicularisvar.povalolyticusPH的发酵液中纯化出了PVA氧化酶，并详细研究了该酶对醇类物质的氧化性。Morita[8]从另一株PVA降解菌Pseudomonas的发酵液中也分离到 PVA 氧化酶，每个酶分子含1个原子非血红素铁，PVA酶活受到Hg2+、Pb2+、Zn2+、邻菲啰啉和EDTA的轻微抑制。Hatanaka等[45]报道，Pseudomonassp.113P3能够单独生长在有吡咯喹啉醌(PQQ)存在的PVA培养基中，但该菌产生的PVA脱氢酶不能以伯醇、仲醇和其他二元醇为底物。

为了进一步确定PVA降解酶的作用机制和分泌机制，Shimao等[9]克隆出了pvaA和pvaB基因，2种基因编码的蛋白质氨基酸顺序与脂蛋白的信号顺序较为相近，表明PVA降解酶可能主要附着于细胞膜上，而这种酶的分泌对聚合大分子的降解是必需的；PVA仲醇氧化酶可能的功能是优先氧化聚乙烯醇分子中两两相邻的羟基基团，PVA 氧化型产物的化学结构很不稳定，容易自发水解，而PVA水解酶可加速该水解反应。

目前研究较为深入的降解酶是聚乙烯醇氧化酶(仲醇氧化酶)、聚乙烯醇脱氢酶和氧化型聚乙烯醇水解酶(β-双酮水解酶)3种降解酶。由于被研究菌种不同，PVA降解酶的组合也不同，主要的组合是聚乙烯醇氧化酶与氧化型聚乙烯醇水解酶组合及聚乙烯醇脱氢酶与氧化型聚乙烯醇水解酶组合，且不同组合的降解机理不尽相同。目前对于降解酶作用机理较为一致的观点是：PVA降解酶的降解作用主要分两步进行。第一步是聚乙烯醇氧化酶(仲醇氧化酶)在氧气存在条件下，或聚乙烯醇脱氢酶在PQQ存在条件下，将聚乙烯醇氧化脱氢成酮基化合物。关于第二步反应，一种观点认为，聚乙烯醇羟基被聚乙烯醇氧化酶(仲醇氧化酶)催化氧化为酮基，再被聚乙烯醇水解酶催化裂解；而另一种观点则认为，由于酮基型PVA分子结构不稳定，其会自发进行水解反应，聚乙烯醇水解酶可能加速了氧化型PVA的裂解反应[46-48]。综上可知，从不同降解菌中分离出来的PVA降解酶性质不同，PVA降解途径多样，尤其是细菌和真菌的作用方式差别更大，因此需要对PVA降解酶的作用机理进行更加深入的研究[49]。笔者所在课题组从分子生物学角度对1株具PVA降解功能的解淀粉芽孢杆菌进行了研究，对其进行全基因组测序，与可能的降解酶基因序列进行比对，并构建了目的基因的敲除菌株与体外表达工程菌(相关结果尚未发表)。

4 存在问题与展望

采用生物降解PVA为减少环境中PVA污染的首选，PVA降解微生物的重要作用更是毋庸置疑。因此，为了环境的可持续发展，需要对降解微生物进行多方面研究。相比PVA降解菌剂，降解酶制剂更加方便有效[50]，PVA降解菌的产酶能力和性能也一直是国内外学者研究的热点，但其发酵周期长，产酶水平低，酶活不稳定，且纯化提取比较困难。因此，PVA生物降解酶的产业化仍存在诸多困难。

对于PVA降解微生物的研究，笔者认为今后可以注重以下几个方面：(1)进一步筛选高效PVA降解菌株，对菌株基因进行改造修饰，构建高表达菌株；(2)研究各降解菌之间的配伍作用，研制组配降解率高的混合菌菌剂；(3)全面研究PVA的降解途径、降解酶的作用机理及合适的降解工艺；(4)研究PVA降解酶基因及其调控机理，构建基因工程菌以提高产酶水平；(5)研制PVA降解酶的纯化提取工艺，与酶工程技术紧密结合，使降解酶的酶解性能可以更好发挥，以实现降解酶制剂的工业化生产。