塑料垃圾降解研究进展
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摘 要
塑料因具有轻巧便利、经久耐用的特点，故而成了社会生活中极其重要的一部分，但大部分塑料在自然环境中都很稳定，难以降解。为推进塑料垃圾的处理与环境保护工作，该文综述了可降解塑料在生产生活上的应用及发展水平，为在未来解决塑料垃圾污染问题提供新思路。
关键词
塑料垃圾;可降解塑料;生物降解;环境保护
中图分类号： X705 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 06 . 99
塑料在被发明之初，给人们的生活带来了极大地便利，曾被称为20世纪最伟大的发明之一。随着人类社会的不断发展，塑料制品产量也在与日俱增，而由此产生的塑料垃圾也给整个社会带来了巨大的负面影响，极低地回收价值也使得塑料垃圾的处理不外乎填埋、焚烧等。其中，物理填埋过程中产生的渗滤液，化学焚烧过程中产生的各种有害气体，给人类、动物及生态环境造成了难以估计的危害。
该文对塑料垃圾降解的研究水平加以综述，讨论了进一步研究的方向及领域，对未来该问题的解决将有一定的促进作用。
1 可降解塑料的种类
塑料是通过以石油为原料裂解所产生的单体通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物。在目前生产生活中，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、发泡聚苯乙烯（EPS）、聚氯乙烯（PVC）、聚酯（PET）、尼龙（PA）等是最常见的塑料。
1.1 光降解塑料
光降解塑料是指在太阳光的作用下可实现降解的塑料制品。在光照条件下，塑料的高分子聚合物吸收紫外线，引起分子内部的相互作用力减弱，发生光化学反应后裂解成小分子物质，再在空气中O2的作用下，最终被氧化分解。尽管该种塑料的发展较早，但在其生产和使用过程中仍存在不足之处。比如，该种塑料的生产成本远高于其他种类的可降解塑料，在生产过程中添加的光引发剂对人类和自然环境也会产生一定的影响，除此之外，光降解塑料也仅适用于光照比较充足的地方，这些原因都使得光降解塑料在生产生活中的使用范围受到限制。
1.2 生物可降解塑料
生物可降解塑料主要由淀粉、纤维素等一些天然可再生的谷物合成，该种塑料可被自然环境中的细菌、真菌、放线菌、藻类等微生物所降解。根据其类型与降解程度，可分为完全生物降解型塑料和不完全生物降解型塑料。完全生物降解型塑料拥有与常规塑料相近的性能，废弃之后可被细菌、真菌等自然界的微生物分解成小分子物质，最终被分解成H2O和CO2的高分子聚合物，对环境具有一定的保护作用，所以又被称为“绿色塑料”[1]。不完全生物降解型塑料主要是在常规塑料中加入一些具有生物降解性能的物质。采用这种方式降解后产生的小分子会长时间存在于土壤中，不能被自然环境吸收，存在降解缺陷[2]。生物可降解塑料在生产、生活上的应用也比较广泛，比如常见的口罩、食品袋、覆地膜和农药，及在医药领域所使用的可吸收手术缝合线和药物缓释等。
2 塑料垃圾降解
在自然环境下塑料垃圾的降解周期漫长，同时，因其材质的特殊性和多样性，目前涉及的处理方法主要集中在物理、化学、生物这三个领域。
2.1 物理降解
在物理降解方面，填埋法、简单再生技术和塑料混凝土处理法的应用范围较广。其中，填埋法是常用的物理降解方法，操作简便，但填埋过程中所产生的渗滤液却会对水资源造成污染。此外，填埋法在一定程度上对土地资源也是一种极大的浪费;简单再生技术即把塑料垃圾经分选、清洗、破碎、熔融、造粒等步骤再加工成新的产品。该技术因工艺简单、成本低、投资少等优点而被广泛应用，但对塑料的高要求使得该技术局限性较大;塑料混凝土处理法即在塑料颗粒中掺入混凝土，该种材料兼具塑料与混凝土的特性，而且在一定程度上还可以有效地处理废弃塑料，但塑料集料的掺入却会对混凝土的部分性能产生影响，如抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度等。
2.2 化学降解
在化学领域，塑料垃圾的处理技术主要包括焚烧技术与资源化处理技术。焚烧技术既方便快捷，又可以提供一定的热能资源，但燃烧时释放的有害气体却会对大气环境造成严重的破坏;资源化处理技术在保护环境的同时，也开拓了一条塑料垃圾再利用的途径。由于塑料垃圾在不同的条件下会生成不同的产物，故可以利用这一点对塑料垃圾进行资源化，以此得到目标产物。比如，富含苯乙烯单体的废PS的热降解产物，提纯后可作为聚苯乙烯的生产原料，也可将其中的芳香族产物作为高辛烷值汽油的调合组份，同样可考虑将PS、PP、PE混合降解，这种方法不仅提高了汽油馏份的辛烷值，还减少了废塑料分拣过程中的人工成本 ，获得更佳的经济效益。
2.3 生物降解
与传统降解塑料的技术相比，开发微生物降解塑料的技术更具有现实和生态意义，而其实质就是微生物分泌的酶的作用结果，能够降解塑料的微生物所分泌的酶具有专一性，即一种酶作用于一种底物。不同种类的微生物，所分泌的酶也不同。同时，酶的活性也受环境温度、pH值等因素的影响。生长环境越适宜，该环境中的微生物越多，高分子聚合物的降解速度越快。目前国内外科学家已从昆虫肠道和土壤中分离出放线菌、细菌、真菌等多种能够降解塑料的微生物。
Pranamuda等[3]筛选到了一株能够有效降解PLA薄膜的拟无枝酸菌属的Amycolatopsis HT-32，该菌株在经过14d的液体发酵培养后，就可以使PLA薄膜的60%实现降解。Gilan[4]分离出能够降解聚苯乙烯的纯菌C208（Rhodococcus ruber），该菌的降解率可达8%。沈叶红[5]从黄粉虫肠道中分离出8株菌，分别是 Stenotrophomonas、Serratia、Bacillus subtilis、Enterobacter sp.、Bacterium、Staphylococcus、Stenotrophomonas maltophilia和Citrobacter，这些菌试验降解的膜表面均有腐烛斑。Li等[6]从土壤中筛选出1株对PCL有较高降解率的菌株Penicillium oxalicum DSYD05-1，研究发现10 d后PCL薄膜可被该菌完全降解。冯静[7]从土壤中分离出了一株可以降解聚乙烯的放线菌，并鉴定该菌株为Streptomyces albogriseolus（白浅灰链霉菌），该研究中，不同分子量的聚乙烯粉末都可以被白浅灰链霉菌降解。陈冠舟等[8]以高通量测序法探究啮食PS泡沫塑料黄粉虫肠道菌群结构，研究发现肠道细菌可能在黄粉虫生物降解塑料的过程中起主导作用。中科院研究组[9]从城市垃圾中分离出一株放线菌，并鑒定该菌株为“塔宾曲霉菌”，研究发现该菌不仅能够在聚氨酯塑料表面生长，还可以高效地降解该种塑料，且两周就可以明显看到生物降解过程。孔芳等[10]在有氧条件下通过分离筛选到 2株细菌PSI-1、PSI-2与一株真菌 KHJ-1，通过形态观察、生理生化及rRNA基因序列分析鉴定分别是Bacillus anthracis、Enterobacter hormaechei和Aspergillus niger，3株菌均能以聚苯乙烯为唯一碳源进行生长并参与塑料降解过程。 由此可见，在一定条件下可以通过微生物的分解作用来实现塑料的生物降解，而生物降解的方法既保护了自然环境，又在一定程度上维持了生态平衡，同时也为解决塑料垃圾污染的世界性难题提供了新思路。
3 展望
由于塑料的降解难度大，且使用量较高，以致塑料垃圾对环境造成的负面影响越来越严重。在这种严峻的形势下，缩短塑料垃圾的降解周期，寻找更高效且成本更低的塑料垃圾降解方法便具有了重大的意义。基于前人的研究，生物可降解型塑料的研制和生物降解技术的开发在解决塑料污染问题方面具有绝对的优势及广阔的前景。并且对于从根本上解决塑料垃圾污染问题，发挥主要作用的仍然是微生物。在未来，继续分离、筛选、改造对传统塑料及生物可降解型塑料有降解作用的菌株将会成为解决塑料污染问题的主要方向。
参考文献
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[2]李菲，江贵长，陈明芬.浅析可降解塑料包装材料[J].上海包装， 2018（4）：47-50.
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[4]Gilan I， Hadar Y， Sivan A. Colonization， biofilm formation and biodegradation of polyethylene by a strain of Rhodococcus ruber[J]. Applied Microbiology and Biotechnology， 2004， 65（1）：97-104.
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[6]Li F.， Yu D.， Lin X. M.， et al. Biodegradation of poly（（ε-caprolactone） （PCL） by a new Penicillium oxalicum strain DSYD05-1[J].World Journal of Microbiology and Biotechnology， 2012， 28（10）： 2929-2935.
[7]冯静. 白浅灰链霉菌对聚乙烯降解效果研究及降解酶的基因克隆[D]. 四川师范大学， 2016.
[8]陈冠舟，张白鹭，纪梦梦，吴晓刚，周君仪，陈家楠，王芸，田浩，张晓君. 高通量测序探究啮食聚苯乙烯泡沫塑料黄粉虫的肠道菌群结构[J]. 微生物学通报， 2017， 44（9）： 2011-2018.
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[10]孔芳，洪康進，徐航，赵世光，王幼平. 基于啮食泡沫塑料黄粉虫肠道菌群中聚苯乙烯生物降解的探究[J]. 微生物学通报， 2018， 45（7）：1438-1449.
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