可降解塑料的微生物降解研究进展.docx

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)摘 要 塑料材料的广泛使用给环境带了巨大的污染和处理压力，使用可降解塑料替代传统塑料是解决这一问题的重要途径。可降解塑料的生物降解是由相应的微生物和降解酶来完成的。综述了目前常见的生物降解塑料的微生物降解研究和进展情况，明确了微生物在可降解塑料生物降解中的重要性。关键词 生物降解塑料; 生物降解; 降解酶中图分类号 q93-3文献标识码 a文章编号 1005 7021( 2014) 04 0080 05doi: 10 3969 / j issn 1005 7021 2014 04 016esearch progress on microbial degradation of degradable plasticsmao hai-long，bai jun-yan，jiang hu-sheng，wang zhan-yong( coll of chem ，chem engin environml engin ，liaoning petro-chem indust uni ，fushun 113001)abstract with the widespread using of plastic materials，plastics have caused huge environmental pollution andpressure of waste disposal using biodegradation plastics to replace traditional plastics is one of the most important ways to solve the problem biodegradation of degradable plastics is completed by microorganisms and their degrading enzymes this article provides an overview of current research on microbial degradation and makes certain that the im- portance of microorganisms in biodegradable plastics degradationkeywords biodegradable plastics; biodegradation; degrading enzyme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( poly-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 ( polylac- tic 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 styrene，ps) 、聚氯乙烯 ( polyvinylchloride，pvc) 、聚 对苯二甲酸乙二醇酯 (polyethylene tereph-thalate，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 ( butylenesuccinate ) ，pbs ) 、聚 乙 烯 醇( polyvinyl alcohol，pva) 等; 另一类则是以生物质基金项目: 国家自然科学基金( 31100099) ; 辽宁省教育厅科学研究项目( l2011060)作者简介: 毛海龙 男，硕士研究生。研究方向为生物化工。tel:e-mail: maohl598324143 hotmail com*通讯作者。男，博士，副教授。主要从事环境微生物学研究。tel:e-mail: wangzy125 gmail com收稿日期: 2013-10-08; 修回日期: 2013-11-06毛海龙等: 可降解塑料的微生物降解研究进展4 期81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。有报道以 pcl 为唯一碳源，从土壤中筛选出 1 株嗜热菌株 streptomycesthermoviolaceus 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 hizopus arrhizus 脂肪酶降解经不同 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 h2 o。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。温度( ) 处理后的 pcl 来评估其 78、0、25、50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 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 ，pcl / -tcp 共聚物可作为骨骼 支架材料 ，pcl / pla 共聚物可作为神经末梢修 复工程中的支架等 。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16171819的生物可降解性。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 的数均分子石 油原料合成的脂肪族聚酯 的3降解聚 -己内酯( pcl) 的降解pcl 是以 -己内酯为原料合成的开环聚合 3 1物，有着较 低的值 ( 60和玻璃转化温度 )tm( 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 104下降到 6 69 104 ，下 降比例为量由 8 3419 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 stenotrophomonasyb-6，能够与maltophiliasolani 协同促进 pbs 的降解22。笔者亦分离f的降解率。pcl 薄膜在 pdsyd05-1 的到 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oxalicum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。微 生 物学 杂 志34 卷82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-hydroxybutyrate，phb ) 、 聚羟基丁酸戊酸酯共聚酯( poly( hydroxybutyrate- co-hydroxyvalerate，phbv) 、聚 3-羟基丁酸-4-羟基pbs 更好，有报道从稻叶上筛选出菌株 pantarc-tica 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 /丁酸共聚酯 ( poly3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxy-mg23。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。butyrate，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3 3生物。在土壤中发现的 acidovoraxfaecilis、asper-gillus fumigatus、comamonas sp 、pseudomonas lem-oignei 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delafieldii，以及在湖水中发现 的ilyobacterpseudomonas 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。1 株 pva 降解菌株 sphingopyxis 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sp低26。tsujiyama 等 选 出株降 解 菌 株1pvaflammulina 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。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4 2等36 首 次 报 道 了料。pranamudapla能 够 被amycolatopsis sp 降解。后续报道显示 amycolatop-sis 属和属的许多菌株都具有降解 saccharotrixpla 的能力37-38。1981 年，williams39 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 的可再生资源合成塑料的降解聚羟基脂肪酸酯( pha) 的降解44 1毛海龙等: 可降解塑料的微生物降解研究进展4 期83pla 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 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 tsuji h ，miyauchi s poly( l-lactide) : effects of crystallinity on enzymatic hydrolysis of poly ( l-lactide ) without free amor- phous regionj polymer degradation and stability，2001，71( 3) : 415-4246等41 选 育 到 的54 h。 wangpseudomonas spds04-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789以降解共聚物、pla-ga 共聚物、pla-pla-pegphb 共聚物和 pla-ts 共聚物42。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) : 38-4011 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- 85912 khatiwala v k ，shekhar n ，aggarwal s ，et al biodegra- dation of poly( e-caprolactone) ( pcl) film by alcaligenes fae- calisj journal of polymers and the environment，2008，16:61-6613 li f ，yu d ，lin x m ，et al biodegradation of poly( e-ca- prolactone) ( pcl ) by a new penicillium oxalicum strain dsyd05-1j world journal of microbiology and biotechnolo- gy，2012，28: 2929-293514 chua t k ，tseng m ，yang m k degradation of poly( -ca- prolactone) by thermophilic streptomyces thermoviolaceus subsp thermoviolaceus 76t-2j amb express，2013，3: 815 tokiwa y ，calabia b p m biodegradability and biodegrada- tion of polyestersj journal of polymers and the environment， 2007，15( 4) : 259-26716 simioni a ，vaccari c ，e m i ，et al phbhv / pcl mi- crospheres as biodegradable drug delivery systems ( dds) for photodynamic therapy ( pdt) j journal of materials science， 2008，43( 2) : 580-58417 lu l ，zhang q w ，wootton d biocompatibility and bio- degradation studies of pcl / -tcp bone tissue scaffold fabrica- ted by structural porogen methodj journal of materials sci- ence，2012，23( 9) : 2217-222618 sun m z ，downes s physicochemical characterisation of no- vel ultra-thin biodegradable scaffolds for peripheral nerve repairj journal of materials science，2009，20( 5) : 1181-119219 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 irradiationj jour- nal of materials science，2008，43( 3) : 1063-106920 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小结5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。参考文献:1tokiwa y ，calabia b p ，ugwu c u ，et al biodegradabili-ty of plasticsj international journal of molecular sciences， 2009，10( 9) : 3722-3742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) : 2481-2485babu p ，connor k o ，seeram current progress on bio-based polymers and their future trends current progressj progress in biomaterials，2013，2( 8) : 4-16phua y j ，lau n s ，sudesh k ，et al biodegradability studies of poly ( butylene succinate ) / organo-montmorillonite nanocomposites under controlled compost soil conditions: effects of clay loading and compatibiliserj polymer degrada-tion and stability，2012，97: 1345-1354234微 生 物学杂 志34 卷8421 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) : 775-77922 abe m ，kobayashi k ，honma n ，et al microbial degrada- tion of poly( butylene succinate) by fusarium solani in soil en- vironmentsj polymer degradation and stability，2010，95 ( 2) : 138-14323 hiroko k k ，shinozaki y ，cao x h phyllosphere yeasts rapidly break down biodegradable plasticsj amb express， 2011，1( 44) : 2-1124 tan l c ，chen y w ，zhou w h ，et al novel poly( bu- tylene succinate-co-lactic acid) copolyesters: synthesis，crystal- lization，and enzymatic degradationj polymer degradationand stability，2010，95( 9) : 1920-1927materialsj proceedings of the national academy of sciencesusa，1992，89( 3) : 839-84233 mergaert j ，webb a ，anderson c ，et al microbial degra- dation of poly( 3-hydroxybutyrate) and poly( 3-hydroxybutyrate- co-3-hydroxyvalerate) in soilsj apply environment microbi- ology，1993，59( 10) : 3233-323834 zhou h ，wang z ，chen s ，et al purification and charac-terization of extracellular poly ( -hydroxybutyrate ) depoly- merase from penicillium sp ds9701-d2j polymer-plastics technology and engineering，2009，48( 1) : 58-6335 tseng m ，hoang k c ，yang m k ，et al polyester- de- grading thermophilic actinomycetes isolated from different envi- ronment in taiwan j biodegradation，2007，18 ( 5 ) : 579- 58336 pranamuda h ，tokiwa y ，tanaka h polylactide degradation by an amycolatopsis spj apply environment microbiology， 1997，63( 4) : 1637-164037 nakamura k，tomita t，abe n，et al purification and charac- terization of an extracellular poly( l-lactic acid) depolymerase from a soil isolate，amycolatopsis sp strain k104-1j apply environment microbiology，2001，67( 1) : 345-35338 jarerat a，tokiwa y，tanaka h microbial poly( l-lactide) de- grading enzyme induced by amino acids，peptides and poly( l- amino acids) j journal of polymers and the environment， 2004，12( 3) : 139-14639 williams d f enzymatic hydrolysis of polylactic acidj eng med，1981，10: 5-740 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) : 7-1341 wang z y ，wang y ，guo z q ，et al purification and characterization of poly ( l-lactic acid ) depolymerase frompseudomonas sp strain ds04-tj polymer en