摘要：塑料是人们生产生活中必不可少的一部分，而人们使用后的塑料有80%当做垃圾进行了填埋处理，但这种处理方式并无法使塑料得到完全降解，而是成为环境和海洋污染的重要因素；另外，受到管理处置不科学等因素的影响，使得塑料废弃物对生态环境造成了巨大影响，而现阶段塑料回收再利用成为一种很好的处理塑料的方式，然而这种方式并不能对所有类型塑料进行妥善处理。塑料降解是目前发现的一种比较有效，并对环境较为友好的处理方式，其有着很好的未来发展潜力，探究塑料的微生物降解机理，对于这种塑料处理方式的深入发展有着重要的现实价值和意义。基于此，本文就塑料的微生物降解机理进行了分析探究，在简单介绍了塑料的生物降解途径之后，重点对塑料的微生物降解机理进行了分析，最后，对塑料的微生物降解新方向进行了简单阐述。以此来提出更为妥善的塑料处理方式，从而减少塑料对生态环境造成污染和危害。

关键词：塑料；微生物；降解机理

引言

我们日常生产和生活中常常会使用一次性塑料制品，比如，食堂买饭时的一次性塑料餐盒、购买商品时的一次性塑料袋，喝饮料时的塑料瓶等等，这些塑料制品成为人们衣食住行中必不可少的一部分，在为人们带来众多便利的同时，也给环境带来的非常大的危害。主要是因为这些塑料制品大多是由聚丙烯、聚苯乙烯等高分子化合物制作而成，其化学结构非常复杂，并且化学性质也非常稳定，这也导致这些塑料在环境中无法快速得到降解，从一些研究结果中发现，塑料自然降解的时间长达200多年，会对生态环境和一些生物造成严重的污染和伤害。而生物降解可以在比较少的投入下让这些塑料降解成为二氧化碳和水，从而减少对环境和生物的危害。也正因如此，塑料的生物降解受到了很多学者和一线研究者们的广泛关注和重视，研究者们也一直在致力于对生物降解塑料的机理和方法的研究。而本文就以塑料的微生物降解机理为主题开展了详细分析和探讨。

一、塑料的生物降解途径

（一）动物对塑料的生物性降解

动物可以通过咀嚼或胃磨来破坏塑料，使其物理性能发生变化。比如蟑螂，蟋蟀，它们就会啃噬塑料膜。蚯蚓能摄取到土壤中小于150微米的LDPE粒子，但排泄物的粒径显著减少；南极磷虾能将平均粒径31.5微米的聚乙烯塑胶微球粉碎为平均粒径7.1微米的塑料微粒，经胃磨法处理后，其粒径达到了7.1微米[1]。另外，在塑胶材料上形成的生物被膜，会加速其对塑胶材料的物理破坏。比如，用嘴碾磨大块聚乙烯塑胶袋，使其变成平均粒径488.59微米的小块，而用嘴磨碎的塑胶袋，其上有生物被膜的塑胶袋则有4倍之多。

除了物理上的破碎外，有些动物还能通过身体内复杂的生化反应，使摄取的塑料成分发生变化。然而，现有的研究多以昆虫为对象，如鳞翅目、鞘翅目等，其幼虫能取食塑料，并利用其肠道菌群将塑料矿化成二氧化碳、水等。其中，对黄粉虫的塑料降解进行了较多的研究。以PS为研究对象，其取食的PS泡沫经肠道微生物分解，产生小分子（如脂肪烃、苯衍生物等），并伴随着CO2的释放。除了黄粉虫，其他种类的全变态类昆虫均可利用肠道微生物取食和降解塑料。比如，黑粉蚧、大麦、小蜡螟、螟蛉幼虫等均能取食PE、PS薄膜，利用肠道菌群对塑料进行分解，生成长链脂肪酸等代谢物。值得注意的是，混饲可以改变它们原来的塑胶消耗量。比如，将PS和一些常见的食物进行混合后喂养黄粉虫幼虫可以有效使幼虫加大对PS的消耗率，而将PE和PS两种塑料混合在一起喂养黄粉虫幼虫可以提高对PE的消耗，但PS塑料的损耗会减少，这可能是受黄粉虫幼虫的肠道微生物群落结构影响，但这一结论仍然需要进行验证。

（二）植物对塑料的生物降解

目前，国内外对植物可降解塑料的研究多关注于植物地上、地上、根际等环境中的微生物及相关酶类的研究。利用植物茎、叶、茎、叶等材料，对酯类高分子进行降解。如亚马孙河流域林木中的一株小孢拟盘孢，能在有氧和厌氧两种条件下对PUR具有相同的降解速度，并能产生一种分子量21 kDa的丝氨酸水解酶，能在1小时内将PUR彻底降解[2]。此外，根际微生物还可通过分泌多种能催化生物质的酶类对塑料进行降解。如从大豆根瘤中分离得到的两种菌株，它们对HDPE的高密度降解作用显著，90天之内，HDPE表面就会出现大量的孔洞，并且在HDPE表面生成羟基、羰基等含氧基团。某些水生藻类能够附着于塑料材料上，对其进行生长繁殖，从而改变其理化特性。如双链栅藻、螺旋鱼腥藻、双螺旋梭状藻等都能通过分泌胞外多糖对PE表面形成裂纹，导致产品品质下降，但其在PE上的定植与生长不会改变塑料的化学特性。本项目拟在前期研究基础上，利用光合自养三角褐指藻的自然降解功能，利用合成生物学手段，将其与光合自养三角褐指藻的基因序列整合到光合自养三角褐指藻的基因序列中，获得高效、稳定的 PET降解酶，为微藻高效降解塑料的研究提供新的思路。

（三）微生物对塑料的生物性降解

细菌是自然界中数量最多、数量最多的一群生物，它们可以对各种塑料进行降解。申请人前期研究发现，我国沿海生活垃圾填埋场248株可降解HDPE，其中芽孢杆菌和假单胞菌对HDPE具有较强的降解能力，但其降解1个月后，导致HDPE的品质降低23.14%，并且羰基指数也会下降，乙烯基指数升高[3]。但在厌氧环境中，微生物仍能对塑料进行降解，只是降解速度较慢。本课题组前期研究发现，一株拟单核菌属菌株MYK1在厌氧和好氧条件下，能将PLA分解为0.235、0.025（μ molCO2）-1h–1；芽孢杆菌MYK2能使PLA在有氧或厌氧下产生0.248、0.097（ng）-1h–1；且能使PLA表面形貌发生改变，形成18μm、23μm宽的孔道。其中，以复合菌群为主体的复合菌群对塑料的降解作用更为显著。本课题组前期研究发现，由微生物发酵产生的解硫胺素硫胺素芽孢杆菌、短芽孢杆菌和短芽孢杆菌4株共培养140天后，分别导致低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯的重量降低了58.2%-46.6%，而细菌单独降解则只造成22.2%-28.2%的损失。

二、塑料的微生物降解机理

塑料的微生物降解过程是非常复杂的，并且各个步骤和环节之间的关系也是非常紧密的，而且这些步骤和环节可能还会随时发展。（1）一些微生物聚集体是由胞外聚合物和细胞构成的，彼此之间可以相互粘附在塑料的表面上，并形成一种复杂的生物膜，这种生物膜中至少存在一种细菌、原生动物、真菌或者是藻类，在这样一个功能性和系统发育性呈现出多样性的生物群落中，生物膜中的微生物可以对塑料中的多种物质进行代谢[4]。比如，海洋中的碎片塑料表面会有一种含有食烷菌属、西沙杆菌属和海杆菌属的生物膜，这种生物膜可以对碳氢化合物进行降解，而丰富的食烷菌可以有效降低3.5%的LDPE质量，同时还可以在塑料的表面形成含有大量氧的官能团，在彼此的相互作用下来起到对塑料的降解作用。

（2）生物膜中的微生物分泌胞外酶和胞内酶也有着降解塑料的作用，胞内酶和胞外酶可以对塑料中的分子链进行攻击，将其中可以进行水解的化学键末端断开，形成其他低聚物和二聚体，或单体，降低塑料分子量。另外，在氧气的氧化作用下，再形成羟基、羰基和羧基含氧官能团。而断裂后的分子链和低聚物也会得到释放，其中低分子量的低聚物是可以通过微生物的细胞膜来进入到微生物中的，以此来为微生物的生长和代谢提供所需要的碳源。此过程中需要特别关注的是，一些细菌其自身是没有办法对塑料中的聚合物进行降解的，但是，其对二聚体、聚合物的单体，以及其他低聚物可以起到降解作用。

（3）在低聚物进入到微生物体内后，可以在代谢机制的影响下将塑料聚合物分子链中的碳原子进行降解。Β-氧化机制是氧化后低聚物形成的辅酶A和脂肪酸的结合体，在结合后形成了脂肪乙酰基辅酶A，在脱氢、加水和再脱氢、硫解之后断开脂肪酸上连接的β0碳原子之和α0碳原子，形成乙酰基辅酶A和失去两个碳原子的脂肪乙酰基辅酶A，之后在彼此的循环反应下来加快脂肪酸的氧化[5]。然后，乙酰辅酶A和柠檬酸进行结合循环，并在这种循环的加持下促成生长发育所需要的能量。并且在该循环下结合低聚物经β—氧化机制形成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A，的主要作用是中间桥梁，对有机物进行氧化，同时形成腺嘌呤核苷三磷酸，这一物质主要是为细胞提供能量的。最后，在体内代谢机制的运行之下，低聚物发生了矿化作用，一些生物体在好氧环境下形成二氧化碳和水，而在无氧或缺氧的环境下形成甲烷、氨气和硫化氢等气体被排放出去。

三、塑料的微生物降解研究新方向

（一）不同地理环境下高效菌株的培养

现阶段，关于塑料的微生物降解研究，欧洲BIOCLEAN团队创新了研究思路，在传统有机堆肥基础上，结合塑料的微生物降解方式进行了新的塑料降解方式的创新，在很大程度上提高了塑料降解的效率。在该团队的研究中，常常会将其应用在一些工业生产出的塑料降解中，同时通过不断对垃圾填埋场地样本进行分析来分离筛选出了可以有效降解塑料的微生物菌株，并且开始对这些菌株的功能、特点、不同环境需求下的塑料降解效率进行分析，这一研究成果使得未来塑料微生物降解的效率更高。

（二）土壤对聚氨酯塑料的降解分析

英国曼彻斯特大学在塑料的微生物降解研究中发现了一种新的可降聚氨酯解塑料的物质，也就是土壤，将聚氨酯塑料埋入到土壤中，随后土壤中的真菌等微生物数量出现了明显增多，并且聚氨酯塑料的降解速度也在不断加快，这就可以说明土壤中的真菌等微生物可以将聚氨酯塑料作为一种能源和自身形成一种新的自身特有的生物质来降解塑料。

（三）可完全降解塑料的使用

可完全降解的塑料指的是可以在微生物产生酶的影响，以及一些化学反应作用下被完全分解为二氧化碳、水等不会对环境造成污染的新型塑料[6]。目前已经投入使用的是聚羟基脂肪酸酯塑料，这种塑料是可以完全被微生物降解的，在缺乏氮和磷的微生物胞内，其可以暂时作为胞内储存能量和碳源的聚合物，从而对聚羟基脂肪酸酯塑料进行降解。这种微生物可降解的聚羟基脂肪酸酯塑料使用大大降低了对生态环境的污染和影响，同时也间接降低了对煤炭、石油等不可再生能源的损耗，是我国生态环境和资源可持续发展战略推进中取得的一项重大成果。

结语

利用微生物进行塑料降解是现阶段解决白色污染问题最为妥善合理的方法。针对不同类型的塑料生物降解效率，主要会受到塑料物化性质的影响，然后就是微生物不同类型的影响。另外，在降解的过程中也会受到所处环境中温度、水分、土壤组成成分的影响；此外，氧化分解和水解的作用也会影响降解的效率。虽然环境中会有很多不同类型的生物对塑料进行降解，但是微生物仍然是降解塑料的主要动力。因此，对塑料的微生物降解进行分析研究是对生物可降解塑料研究的主要方向，并且还是一项利国利民的大事。

参考文献

[1]金琰，蔡凡凡，王立功，宋超，金文雄，孙俊芳，刘广青，陈畅.生物可降解塑料在不同环境条件下的降解研究进展[J].生物工程学报，2022，38（5）：1784-1808.

[2]吴佳云，李茹欣，陈恩祈，卢得雨，谢桂英，杜星辰，钟宇晴，邓博晖，成彩霞，廖三阳子，黄金岚，黄玉杰，曾斌.可降解塑料及其微生物降解研究进展[J].环境保护前沿，2023，13（3）：670-678.

[3]陈荣国，游瑞云，肖良建，肖荔人，陈庆华.降解塑料标准化及其生物降解性能测试方法述评[J].福建师范大学学报：自然科学版，2008，24（4）：95-101.

[4]李昕玥，刘卓苗，薛润泽，代燕辉，岳同涛，赵建.典型塑料的生物降解及其降解机理[J].科学通报，2021，66（20）：2573-2589.

[5]许楹，殷超凡，岳纹龙，周宁一.石油基塑料的微生物降解[J].生物工程学报，2019，35（11）：2092-2103.

[6]王佳蕾，霍毅欣，杨宇.聚乙烯塑料的微生物降解[J].微生物学通报，2020，47（10）：3329-3341.

[作者简介]

刘晓亭（1988.12），女，汉族，山西大同人，安徽职业技术学院讲师，主要研究方向为生物学

李子（1988.12），女，汉族，安徽淮南人，安徽职业技术学院助理实验师，主要研究方向为微生物资源开发与利用

2021年安徽省高等学校自然科学研究项目（KJ2021A1448）

2022年安徽职业技术学院校级质量工程精品在线课程《微生物学》（2022yjjpkc18）