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PE、PP塑料的微生物降解

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瀏覽:- 發布日期:2020-06-17 13:47:46【
       塑料是一種以聚合物為主要成分的材料, 可分為天然塑料和合成塑料兩類。天然塑料是由天然的或微生物分泌的大分子物質組成的一類塑料,如多羥基丁酸 (PHB)。 這類塑料多具有可生物降解的特性,因而是一類環境友好型材料,但這類天然塑料在現實應用中僅占很小的一部分。

阻燃劑廠家認為通過微生物手段降解塑料不會造成汙染,且不需要消耗大量的能量,是一種安全生態的降解方法。另一方麵微生物具有可遺傳改造性,微生物基因組較小,且有大量的適用於微生物的分子操作手段和工具可以被利用,這一方麵有利於對代謝機製的研究,也有利於通過遺傳改造提高微生物降解效率或改造代謝路徑,達到實際生產應用需求。

一、微生物降解石油基塑料

石油基塑料隨著在環境中大量積累,與微生物之間進行廣泛的接觸,隨著時間推移,微生物對難降解塑料化合物進行充分的適應。但是往往由於人工合成的塑料聚合物太大而不能通過細胞膜,它們必須首先解聚成較小的單體,然後在微生物細胞內被吸收和生物降解。

目前已有報道揭示了微生物進化出完全礦化一些人工合成塑料的能力。可見通過微生物降解塑料具有可行性。通過紫外線照射、高溫、機械作用以及塑料添加劑如增塑劑等的破壞可導致塑料裂解並最終分解成微塑料。表麵積的相對增加改善其生物可利用度。用微生物方法去處理含微塑料的環境變得具有很大的可行性。生物降解相較於物理化學降解來說,能夠完全利用塑料作為碳源並將其徹底降解,但是微生物在塑料表麵定殖困難, 目前高效降解塑料的微生物還未發現,絕大部分微生物傾向於利用塑料表麵光化學氧化產生的活性基團。

二、聚烯烴塑料的生物降解研究進展

聚烯烴塑料是指聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)和聚苯乙烯 (PS) 等由烯烴類單體聚合而成的塑料。其消費量占到了眾多種類的合成塑料總量的50%,是塑料廢物的首要貢獻者。導致聚烯烴難以生物降解的材料特性主要包括:

(1)穩定的化學結構,主要由-C-C-和-C-H-共價鍵構成,沒有易被氧化和水解的基團;

(2)大分子量長鏈結構形成的空間位阻,使其不能直接進入微生物細胞內進而被胞內酶降解;

(3)高度疏水性,細胞和酶難以接觸發生反應。

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1.1 聚乙烯塑料 (PE) 的生物降解研究進展

關於微生物降解聚乙烯 (PE) 塑料汙染物並將其無機礦化成水和二氧化碳的研究最早可追溯到 20 世紀 70 年代。然而前期研究結果表明,高密度聚乙烯 (HDPE) 和低密度聚乙烯 (LDPE) 塑料降解的微生物降解進程及效率都極為緩慢,並主要分解其短鏈低聚物部分,對長鏈部分的水解比較有限,但具體可被土壤微生物降解的 PE 分子量上限以及分子量與降解速率之間的關係並不了解。

無鹵阻燃劑廠家分析昆蟲的腸道內存在 PE 降解細菌,為 PE 的生物降解提供了一種新途徑。不足之處及尚未解決的問題包括:PE 類塑料製品相對分子質量大、表麵疏水性強且可被微生物酶係統利用的官能團少,因而在自然環境中難以礦化。目前對於 PE 微生物降解的具體機製尚無定論,尤其是從酶和基因水平上闡述 PE 塑料降解生物機製尚為空白,針對 PE 的微生物降解機製仍需深入探索。總體來說,PE 高效生物降解有關報道仍然十分稀少,但從現有成果分析,PE 生物降解具備的良好應用前景及環境優勢已初現端倪。

1.2 聚丙烯 (Polypropylene, PP) 塑料

聚丙烯 (Polypropylene, PP) 塑料是除聚乙烯 (Polyethylene, PE) 塑料之外生產和應用最廣泛的一類塑料。其化學結構與聚乙烯塑料類似,是碳碳骨架塑料的典型代表,在化學結構上與聚乙烯塑料的不同之處是聚丙烯塑料側鏈有甲基。聚丙烯塑料與其他碳碳骨架塑料類似,由於具有太高的分子量、太強的疏水性、太高的化學鍵能和太低的生物可及性,這些特性導致這類塑料在環境中很難被微生物降解。

目前關於聚丙烯塑料生物降解的報道非常少。Cacciari 等較早探究了微生物菌群對聚丙烯塑料的降解能力,其報道指出通過微生物菌群處理約 6 個月後,聚丙烯塑料重量有所下降,且有機試劑萃取得到的小分子產物有所上升,但微生物菌群處理後的降解效率非常低下。阻燃劑廠家發現對於未處理的聚丙烯塑料,在土壤混合培養物處理長達一年後,僅有 0.4%的重量損失,而對於經過熱處理的聚丙烯塑料在相同處理條件下,其重量損失提高到 10%, 這 揭示了預處理對於微生物降解聚丙烯塑料的重要性。

從土壤中分離得到的微生物菌株對於經過紫外輻照後的聚丙烯塑料顯示出一定的降解能力,而對於未經預處理的聚丙烯塑料沒有降解能力。這一方麵說明獲得的微生物降解效率低下,另一方麵說明非生物因素的處理在提高聚丙烯塑料的生物可及性中發揮著重要功能。Jeyakumar 等探究了不同預處理手段及混合澱粉等可降解材料對真菌降解聚丙烯塑料的輔助效果,結果發現紫外線處理、金屬離子氧化劑處理或混合澱粉等 可降解材料均能在一定程度上提高真菌對聚丙烯塑料的降解能力,而沒有預處理的聚丙烯很難被真菌利用。不足之處及尚未解決的問題包括 :目前對於聚丙烯塑料微生物降解的研究還處在代謝菌株資源分離階段,可研究和應用的聚丙烯塑料降解菌株嚴重缺乏。高效且高特異性的降解菌株未見報道;微生物代謝機理未知。

2、討論與展望

迄今為止,盡管已經證實了多種塑料可被微生物降解,並發現了降解塑料的微生物或生物酶,但是目前針對塑料的微生物降解的研究仍存在以下問題:

(1)目前發現的塑料的微生物降解效率均非常緩慢,還應進一步探索優化微生物降解的手段,深入研究高效塑料的微生物降解途徑。

(2)目前已發現的具備相關能力的菌株種類較少,因此尋找有效的生物降解塑料的微生物和酶係統,豐富降解菌株資源庫方麵工作亟待研究。

因此篩選多種塑料的降解菌和菌群,並對其降解特性、功能基因及關鍵酶進行遺傳、物理、化學、分子和生化水平的研究,為儲備塑料降解的微生物資源以及和塑料降解酶的資源,同時為構建高效降解微生物提供理論依據和可行性,也將作為酶改造工程的基礎,為塑料製品的物質循環利用提供一定的理論基礎。另外,利用傳統的物理化學誘變手段來篩選具有特殊功能的塑料降解菌也是一個研究方向。



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