聚碳酸酯塑料生物降解及其线路化设计潜能

岳纹龙，周宁一，许 楹

(上海交通大学 生命科学技术学院 微生物代谢国家重点实验室，上海 200240)

塑料(“plastic”，源自希腊语“plastikos”，意思是可塑的)是一种人造的合成或半合成高分子材料[1]。1907年7月13日，Leo H.Baekeland为酚醛树脂申请了专利，这是第一个人工合成的塑料，彻底改变了人们的生活习惯，推动人类迈入塑料时代[2]。2020年，全球塑料年产量为3.67亿t[3]。大多数塑料由化石燃料合成，包括聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚苯乙烯(polystyrene,PS)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)等聚烯烃类塑料及聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)、聚氨酯(polyurethanes,PUR)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)等不同类型的聚酯类塑料。目前，塑料的再生利用主要通过机械回收，只有19%的废弃塑料能够被回收利用，剩下的废弃塑料中70%被填埋或者遗弃，另外11%则被焚烧处理[4-5]。目前塑料污染威胁着多种生态系统，并对许多动物的物种造成破坏性影响[6]。微生物和酶的应用是一种潜在与可持续的绿色方法，可以用来解决塑料污染的问题。目前，关于PET塑料的生物降解研究及资源化利用已经有很多的综述文章[7-12]，同时CARBIOS 公司宣布将在法国化学谷建设PET 塑料酶法回收的工业示范工程，建立从PET 废弃物降解到单体利用的完整工业链[13]。然而，对于同样具有酯键结构且广泛应用的聚碳酸酯塑料的生物降解及资源化利用的研究才刚刚起步。

1 聚碳酸酯塑料及其污染现状和非生物降解

1.1 聚碳酸酯塑料简介

聚碳酸酯是一类化学结构中含有碳酸酯基团的热塑性聚合物，没有独特的塑料分类标志(resin identification code，RIC)，在RIC列表中被识别为“其他”，分类为“7”，但它被广泛用于医用材料和电子设备等产品中。聚碳酸酯塑料根据其碳链的主链结构可分为两类，分别为脂肪族聚碳酸酯塑料和芳香族聚碳酸酯塑料，其化学结构式如图1所示。脂肪族的聚碳酸酯塑料的应用并不广泛，而芳香族聚碳酸酯塑料作为工程热塑性塑料被广泛使用[14]。双酚A型聚碳酸酯(bisphenol-A polycarbonate,PC)是一种具有多种光学特性且应用广泛的芳香族聚碳酸酯塑料，通用电气公司和拜耳公司于20世纪50年代将PC商业化[15]，这种聚合物由羰基(通常来源于光气或碳酸二苯酯)与双酚A(bisphenol-A,BPA)通过缩合反应形成[16]。

图1 脂肪族(a～d)和芳香族(e)聚碳酸酯的结构

1.2 聚碳酸酯塑料污染现状

PC塑料在各种工业领域得到了广泛的应用，如建筑、汽车、光学、医疗、包装和数据存储设备[17]。2017年，PC年产量已达到400万t[18]，预计到2023年底将逐步增加到500万t[15]。然而大部分的PC塑料废弃物都没有被循环利用，最终被填埋或焚烧，或者直接丢弃到环境中。PC塑料一旦被丢弃，随后在环境中经历风化过程，特别是太阳的紫外辐照，就会形成微塑料。Liu等[19]对我国39个城市的室内和室外粉尘样本进行了采集和检测，在大约70%的样品中检测到PC微塑料，同时评估发现婴儿和成人每天通过粉尘摄入PC微塑料的量分别为7.37和0.5 ng/(kg·d)(以每千克体质量每天吸入的量计)。Zhang等[18]对美国65个污水处理厂的活性污泥样本中PC微塑料进行浓度分析，结果发现每克干活性污泥中含PC微塑料的量为0.70～8 400 μg。青藏高原南部海拔高于4 000 m的枪勇冰川中也发现PC微塑料的存在[20]。由于聚碳酸酯塑料的丢弃可能会对人体健康和环境生态系统造成损害，因此在过去的几十年里，PC塑料垃圾的清除已经越来越引起人们的关注。研究表明，非生物降解包括光催化[21-23]、化学降解[15,24-25]、热降解[17,26-30]和生物降解[31]的方法可以提高PC废弃塑料的回收处理率[14,32]。

1.3 聚碳酸酯塑料的非生物降解

聚碳酸酯塑料的非生物降解包括光催化降解、化学降解和热降解。

在光催化降解中，PC塑料可以通过自由基反应达到光诱导自氧化，再进行链诱导、增殖和终止。当使用波长小于300 nm的光时，更容易发生光-弗赖斯(photo-Fries)重排反应，而当使用波长较长的光(大于340 nm)时，光-氧化反应更容易发生[21]。

化学降解PC塑料是通过水解、醇解、氨解和还原将PC塑料解聚得到可回收化学品的过程，解聚过程如图2所示[15]。水解反应：PC可水解为BPA和碳酸，而碳酸最终分解为CO2和H2O。醇解反应：在超临界或近临界条件下碱催化PC废弃物的醇解反应。氨解反应：以胺中的N为代表的亲核试剂，可以利用废弃的PC塑料合成有价值的尿素和其他衍生物。还原反应：PC塑料中的碳酸酯官能团易发生还原反应。PC化学降解主要生成的物质是BPA。

图2 PC塑料通过水解、醇解、氨解和还原进行化学回收(由Kim等[15]发表的图片修改而成)

热降解过程是一种先进的热化学转化技术，能够从各种废弃物和生物质流中生产清洁、高热值、有价值的产品。PC塑料的热降解途径：在热降解的初始阶段，PC在400～500 ℃的温度下，环状低聚物发生分子内交换反应，再水解生成酚端基和CO2，在更高的温度(500～700 ℃)发生热降解反应涉及PC的分子重排或分解[17]。

2 聚碳酸酯塑料的微生物降解

化学处理的方式对PC塑料进行降解，由于使用有毒的有机溶剂及昂贵的催化剂，这导致该工艺不仅需要对产品进行分离，而且还会涉及一系列的环境和安全方面的问题。光降解和热降解也可以处理PC塑料，但其缺点在于产生了许多副产物[32]。目前，使用微生物降解塑料被认为是一种环境友好的方法。PC塑料的土壤微生物降解及分析结果如表1所示[31,33-36]。

表1 降解聚碳酸酯塑料的土壤细菌和真菌

2.1 土壤细菌降解聚碳酸酯塑料

图3 假黄单胞菌NyZ600降解PC的代谢途径(由Yue等[31]发表的图片修改而成)

2.2 土壤真菌降解聚碳酸酯塑料

研究发现，土壤中的真菌可以生物降解PC塑料。如，念珠地丝菌(Geotrichumcandidum)可以通过产生孢子来腐蚀光盘，孢子会在光盘上钻孔，使光盘失效[35]。Artham等[36]从土壤中分离出2种真菌菌株和1种商业白腐真菌(PhanerochaetechrysosporiumNCIM1170(SF2))，对未处理、紫外线和热处理PC塑料的生物降解能力进行了测试，并基于18S rRNA基因将分离的菌株鉴定为共附生白色侧齿霉菌(EngyodontiumalbumMTP091(SF1))和青霉菌(Pencilliumsp.MTP093(SF3))。用白腐真菌SF2处理经过紫外线照射过的PC塑料，一年后观察到质量损失了约5.4%，数均分子量(Mn)下降了40%，同时PC塑料膜表面能和氧含量的增加以及甲基指数的降低表明，在此期间PC塑料发生了氧化反应。菌株SF1处理的PC显示玻璃化转变温度降低15 ℃，表明聚合物链发生断裂导致了聚合物的自由体积增加。然而，在研究过程中并没有检测到PC塑料的单体BPA，不过NMR和FTIR分析结果发现，紫外线预处理PC后导致在聚合物的链中形成了甲基基团。

2.3 海洋微生物菌群降解聚碳酸酯塑料

海洋中的微生物菌群也可以降解PC塑料。Artham等[37]研究发现，在海水中的混合菌群也可以降解PC塑料，他们首先将PC样品浸泡在孟加拉湾(印度，金奈)的海水中3个月后，在实验室控制的条件下，PC塑料与海洋混合菌群再进行12个月的共培养，以研究PC塑料在微生物菌群介导下的降解能力，结果发现：在实验室条件下孵育1年后，PC塑料质量损失率为9%，数均分子量降低了5%，并增加了分子量为930的低聚物，同时接触角下降11%，表明表面亲水性增加，玻璃化温度降低了3 ℃，并从上清液中检测到BPA。这些结果表明，PC塑料膜表面有新羟基的形成和碳酸酯键的断裂，进一步证明了海洋中的混合菌群可以生物降解PC塑料。Artham等[38]使用从印度孟加拉湾分离的混合海洋微生物菌群对PC塑料进行为期1年的体外降解，采用元素分析(EA)、FTIR、GC-MS对降解过程进行监测，海洋微生物降解PC塑料过程中，检测到BPA的代谢产物——4-羟基苯乙酮、4-羟基苯甲醛和4-羟基苯甲酸；通过质量法和FTIR证实了PC发生了生物降解，甲基指数和羰基指数的下降分别表示聚合物的氧化和水解，二维核磁共振显示芳香族C—C发生裂解。

2.4 聚碳酸酯塑料的降解酶

迄今为止，已经有一些PC塑料的降解微生物被分离筛选出来，但对于微生物中PC塑料降解的关键基因和酶的研究还非常有限。Sivalingam等[39]研究发现，有机溶剂中的PC塑料在不同温度(26～70 ℃)下被真核来源的脂肪酶降解，如Candidarugosa(CR)、Hogpancreas(HP)、Lipolase(LL)和Novozyme(NV)。在各种有机溶剂中，使用凝胶渗透色谱(GPC)监测PC塑料的降解反应后发现，无论使用何种脂肪酶，所得寡聚体的重均分子量均约为1 400；聚合物降解前后的FTIR对比分析表明，碳酸酯键大量减少以及断裂链中羟基和酸性基团产生，最终发现，HP和其他脂肪酶的最佳温度分别为50和60 ℃，HP在较低温度下表现出较高的降解活性，脂肪酶的整体降解性(从大到小)顺序为LL、CR、NV、HP。同样，Artham等[40]利用南极假丝酵母脂肪酶(CAL)、玫瑰假丝酵母脂肪酶(CRL)和猪胰腺脂肪酶(PPL)这3种不同来源的脂肪酶在水混溶的四氢呋喃(THF)和水不混溶的氯仿(CHCl3)中降解PC塑料，采用GPC和FTIR对降解过程进行监测，结果发现；与未加酶的对照相比，在THF使用PPL的处理组中可观察到PC塑料的数均分子量减少了约60%，表明PC在PPL处理后发生了广泛的解聚；所有实验的降解产物均为BPA和4-肉桂苯酚，表明脂肪酶对聚合物的作用是通过末端链断裂，在THF中对PC的降解效率(从大到小)顺序为PPL、CAL、CRL，而在CHCl3中对PC的降解效率(从大到小)排序为CRL、CAL、PPL。

3 聚碳酸酯塑料降解的潜在线路化设计

对聚碳酸酯塑料降解进行线路化设计，以实现PC塑料废弃物的降解。同时，建立从塑料降解产物到高值化产品的生物转化技术体系，不仅能推动循环经济发展，还能有效节约石油、天然气等不可再生资源，减少温室气体排放，保护生态环境[13]。基于化学方法和微生物-酶法催化PC塑料水解反应产生双酚A(BPA)[15]及目前已研究报道的许多BPA降解菌[41-43]，可以对聚碳酸酯塑料降解进行潜在的线路化设计，详细路线见图4。

图4 聚碳酸酯塑料(PC)潜在的降解线路化设计

首先通过化学方法和微生物-酶法催化PC塑料水解反应产生BPA[15]，进而再通过细胞色素P450单加氧酶(CYP450)系统催化BPA中1个C原子的羟基化[44]，最终生成了1,2-双(4-羟基苯基)-2-丙醇(1-BP)和2,2-双(4-羟基苯基)-1-丙醇(2-BP)[44]。BPA羟基化产物2-BP可以进一步氧化生成2,2-双-(4-羟基苯基)-丙酸(2,2-BP)和2,3-双(4-羟基苯基)-1,2-丙二醇(2,3-BP)，2,3-BP进一步转化成4-羟基苯甲酸(4-HBA)和4-羟基苯甲酰醇(4-HPA)[45]，4-HPA在2,4′-二羟基苯乙酮双加氧酶(DAD)催化下生成4-HBA[46]。然而另1个BPA羟基化产物1-BP，可以脱水生成4,4-二羟基-a-甲基二苯乙烯(4-DM)，然后进一步裂解氧化成4-羟基苯甲醛(4-HBD)和4-羟基苯乙酮(4-HAP)[45]。4-羟基苯甲醛脱氢酶(PHBDD)可以将4-HBD脱氢反应生成4-HBA[47]，至此，PC降解生成了2种广泛研究的、易被微生物降解的单环芳香化合物4-HBA和4-HAP。

目前，在有氧条件下，4-HBA可以通过3条中心代谢途径代谢后进入TCA循环并被彻底降解。①原儿茶酸(PCA)代谢途径：4-羟基苯甲酸羟化酶(POBA)催化4-HBA羟化反应生成PCA[48-49]。②龙胆酸(gentisate,GA)代谢途径：对羟基苯甲酰辅酶A连接酶(PhgC)催化4-HBA生成4-羟基苯甲酰辅酶A(4-HBC)的反应，对羟基苯甲酰辅酶A羟化酶(PhgA)催化4-HBC转化为龙胆酰辅酶A(GTC)的反应，龙胆酰辅酶A硫脂酶(PhgB)可以将GTC转化为龙胆酸(GA)[50]。③对苯二酚(HDQ)代谢途径：在4-HBA-1-羟化酶(HDL)的作用下，通过羟基化和脱羧反应4-HBA可以生成HDQ[51]。上述3种中间开环底物(PCA、GA和HDQ)均可最终进入TCA循环而被彻底降解。4-HAP则可以在4-羟基苯乙酮单加氧酶(HapA)的催化作用下通过Baeyer-Villiger氧化反应生成4-羟基苯乙酸酯(HPA)[52]，HPA在4-羟基苯乙酸酯水解酶(HapB)催化作用下形成HDQ[53]，并最终进入TCA循环彻底降解。

通过潜在的降解线路化设计(图4)，可以实现PC塑料的彻底降解，同时该线路化设计可以有效地将PC塑料废弃物转化为一系列芳香族化合物，以期实现废弃PC塑料降解的高值化，并可以对其一系列高值化产品进行回收利用。因此，降解线路化设计为实际应用中PC塑料的废弃物循环利用和高值化提供了理论依据。

4 结论与展望

目前，PC废弃塑料处理方法包括非生物降解和生物降解，PC塑料的非生物降解包括光降解、热降解和化学降解。PC塑料的光降解和热降解产生了大量化学结构未被鉴定的产物。在PC塑料的循环利用过程中，通过微生物的生物催化和生物化学相结合的催化方法已经显示出巨大的希望。但是，PC塑料的生物转化过程中仍然面临着降解菌种和酶的匮乏。目前，报道的PC塑料水解酶都是来源于真核生物的商业用的脂肪酶。PC塑料解聚后形成的单体BPA在下游的代谢通路上缺乏相应的基因和酶的研究。在BPA微生物的降解过程中，化合物1-BP转化为4-DM，4-DM转化为4-HAP和4-HBD，2-BP转化为2,2-BP和2,3-BP，2,3-BP转化为4-HBA和4-HPA，但是这个设计的路线依然缺乏基因和酶的研究来支撑进一步研究。所以在未来的工作中，要继续挖掘PC生物降解相关的菌株、基因和酶，为今后PC塑料废弃物的彻底降解和高值化的回收利用提供理论支撑。

目前，PET等聚酯型塑料的酶法解聚与催化机制取得了令人瞩目的重要突破，并初步建立从PET废弃物的降解到单体利用的完整产业链。PC作为一种特殊的聚酯类塑料，具有和PET塑料结构类似的高分子化合物，解聚之后得到的芳香族化合物BPA，基于BPA可以利用微生物生物转化为一系列的高价值芳香类化学品。因此，同时采取多种策略综合研究利用PC塑料及其降解单体，PC塑料极有可能成为下一个可以工业化的酶法回收的塑料，并实现PC塑料废弃物的循环利用和生产高值化产品。