微生物对塑料的降解(3)

[11]郑宁来.微生物降解塑料技术取得新进展[J].合成材料老化与应用,2016,45(03):158.

[12]羊依金,李志章,张雪乔.微生物降解塑料的研究进展[J].化学研究与应用,2006(09):1015-1021.

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] 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 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] 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 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（ 细菌催化消化酶分解PET 技术日本京都工艺纤维大学研究团队，通过对PET 塑料瓶回收工厂采集到的土壤、废水和沉淀物样品进行取样分析后，神奇的发现了一种黏附在塑料薄膜上的细菌，该细菌包含了两种生物酶，第一种酶可以将PET 分解为一种名叫MHET 的中间体，紧接着另一种名叫MHETase的酶，又将MHET进一步水解为对苯二甲酸和乙二醇这两种对环境友好的物质，并为细菌提供更多能量 微生物分解PAEs 技术PAEs又称塑化剂，在自然条件下难以分解。加拿大华裔女孩姚佳韵与她的高中同学汪郁雯，在弗雷泽河周边可能被邻苯二甲酸酯污染的三个地点采集了土壤样本，并用邻苯二甲酸酯作为培养基中的唯一碳源来培养微生物。经过多次重复实验与筛选发现了三个菌株可能与邻苯二甲酸酯的降解有关。之后她们提取了三种菌株的酶样本并分别与一种邻苯二甲酸媒介进行化学反应，与此同时用分光光度计记录下整个实验，获得了一个完整的曲线图，表明这些菌株可能含有与塑料降解相关的基因。它们改变了塑化剂的结构，并最终将其分解成二氧化碳、水或酒精。4 微生物降解塑料的新进展就我们目前的情况来看，尽管我们在微生物降解塑料的技术方面已经取得了很大的突破，但在降解时间方面仍要做出巨大的努?根据不同的地理环境培育高效菌株目前欧洲的BIOCLEAN 研发团队开发了一种新的思路，将传统的有机堆肥与微生物降解塑料相结合，大大提高了微生物对塑料的降解效率。该研究团队选择了一些被广泛用于工业生产上的塑料作为研究对象，并多次在垃圾填埋场等地进行取样分析，成功分离筛选出了可有效降解塑料的微生物菌株，并在深度理解了各类菌株的不同功能特点以及不同的环境需求以后，将它们进行高效培育 土壤对聚氨酯塑料的降解研究英国曼彻斯特大学的研究人员发现，将聚氨酯塑料埋入某些肥沃的土壤中，结果发现随着塑料的不断降解，该土壤中真菌等微生物的数量也在不断增加，这说明该土壤中的某些真菌能将聚氨酯塑料作为能源物质，并合成自身的生物质 新型可降解塑料的投入使用生物可完全降解塑料是指那些能在环境中现存微生物产生的酶的作用下，经过一系列反应最后被完全分解为二氧化碳、水等无污染物质的新型塑料[12]。其中以聚羟基脂肪酸酯为原料的新型生物可降解塑料如今已投入到日常生活中使用，这种塑料可被生活中许多微生物所降解，当这些微生物胞内缺乏氮、磷时就会将其作为暂时的胞内储存能量和碳源的聚合物。这种生物可降解塑料的使用一方面可以减少对环境的污染，从另一方面来说也减少了对不可再生能源如石油、煤炭的使用，符合我们一直提倡的资源和环境的可持续发展战略。5 展望发展生物可降解塑料是目前解决白色污染问题的最适合的方法。生物对不同塑料的降解速率主要取决于塑料的物化性质，其次取决于微生物类型。当然降解过程所处的物理环境如温度、水分、土壤的组成等对于微生物降解速率也都有影响。此外，水解和氧化分解作用对塑料的降解也起着催化的作用。尽管环境中有多种生物可使塑料降解，但微生物仍是该过程的主力军。所以高效降解菌的筛选与纯化培养以及如何大大缩短降解塑料的时间仍是目前研究生物可降解塑料的主要方向。参考文献：[1]潘招银,蔡培展.聚乳酸:让微生物降解塑料[J].广州化工,2019,47(05):11-12.[2]毛海龙,白俊岩,姜虎生,王战勇.可降解塑料的微生物降解研究进展[J].微生物学杂志,2014,34(04):80-84.[3]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.[4]Babu R.P，Connor K.O， progress on bio-based polymers and their future trends Current progress[J].Progress in Biomaterials，2013，2(8):4-16.[5]沈治平.美国试验与材料学会情况介绍.船舶标准化与质量[J].2009(2):29-31[6]林翠花.可降解塑料的研究进展[J].潍坊学院学报,2006(04):78-81.[7]高学文.生物降解包装材料的技术现状及发展趋势研究[J].绿色装,2016(02):32-38+46.[8]邵强.聚乙烯薄膜用可生物降解添加剂的制备与应用研究[D].山东科技大学,2008.[9]微生物降解塑料技术介绍[J].宁波化工,2017(03):47-48.[10]沈叶红.黄粉虫肠道菌的分离和取食塑料现象的研究[D].华东师范大学,2011.[11]郑宁来.微生物降解塑料技术取得新进展[J].合成材料老化与应用,2016,45(03):158.[12]羊依金,李志章,张雪乔.微生物降解塑料的研究进展[J].化学研究与应用,2006(09):1015-1021.

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