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PE、PP塑料的微生物降解

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浏览:- 发布日期:2020-06-17 13:47:46【
       塑料是一种以聚合物为主要成分的材料, 可分为天然塑料和合成塑料两类。天然塑料是由天然的或微生物分泌的大分子物质组成的一类塑料,如多羟基丁酸 (PHB)。 这类塑料多具有可生物降解的特性,因而是一类环境友好型材料,但这类天然塑料在现实应用中仅占很小的一部分。

阻燃剂厂家认为通过微生物手段降解塑料不会造成污染,且不需要消耗大量的能量,是一种安全生态的降解方法。另一方面微生物具有可遗传改造性,微生物基因组较小,且有大量的适用于微生物的分子操作手段和工具可以被利用,这一方面有利于对代谢机制的研究,也有利于通过遗传改造提高微生物降解效率或改造代谢路径,达到实际生产应用需求。

一、微生物降解石油基塑料

石油基塑料随着在环境中大量积累,与微生物之间进行广泛的接触,随着时间推移,微生物对难降解塑料化合物进行充分的适应。但是往往由于人工合成的塑料聚合物太大而不能通过细胞膜,它们必须首先解聚成较小的单体,然后在微生物细胞内被吸收和生物降解。

目前已有报道揭示了微生物进化出完全矿化一些人工合成塑料的能力。可见通过微生物降解塑料具有可行性。通过紫外线照射、高温、机械作用以及塑料添加剂如增塑剂等的破坏可导致塑料裂解并最终分解成微塑料。表面积的相对增加改善其生物可利用度。用微生物方法去处理含微塑料的环境变得具有很大的可行性。生物降解相较于物理化学降解来说,能够完全利用塑料作为碳源并将其彻底降解,但是微生物在塑料表面定殖困难, 目前高效降解塑料的微生物还未发现,绝大部分微生物倾向于利用塑料表面光化学氧化产生的活性基团。

二、聚烯烃塑料的生物降解研究进展

聚烯烃塑料是指聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)和聚苯乙烯 (PS) 等由烯烃类单体聚合而成的塑料。其消费量占到了众多种类的合成塑料总量的50%,是塑料废物的首要贡献者。导致聚烯烃难以生物降解的材料特性主要包括:

(1)稳定的化学结构,主要由-C-C-和-C-H-共价键构成,没有易被氧化和水解的基团;

(2)大分子量长链结构形成的空间位阻,使其不能直接进入微生物细胞内进而被胞内酶降解;

(3)高度疏水性,细胞和酶难以接触发生反应。

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1.1 聚乙烯塑料 (PE) 的生物降解研究进展

关于微生物降解聚乙烯 (PE) 塑料污染物并将其无机矿化成水和二氧化碳的研究最早可追溯到 20 世纪 70 年代。然而前期研究结果表明,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进程及效率都极为缓慢,并主要分解其短链低聚物部分,对长链部分的水解比较有限,但具体可被土壤微生物降解的 PE 分子量上限以及分子量与降解速率之间的关系并不了解。

无卤阻燃剂厂家分析昆虫的肠道内存在 PE 降解细菌,为 PE 的生物降解提供了一种新途径。不足之处及尚未解决的问题包括:PE 类塑料制品相对分子质量大、表面疏水性强且可被微生物酶系统利用的官能团少,因而在自然环境中难以矿化。目前对于 PE 微生物降解的具体机制尚无定论,尤其是从酶和基因水平上阐述 PE 塑料降解生物机制尚为空白,针对 PE 的微生物降解机制仍需深入探索。总体来说,PE 高效生物降解有关报道仍然十分稀少,但从现有成果分析,PE 生物降解具备的良好应用前景及环境优势已初现端倪。

1.2 聚丙烯 (Polypropylene, PP) 塑料

聚丙烯 (Polypropylene, PP) 塑料是除聚乙烯 (Polyethylene, PE) 塑料之外生产和应用最广泛的一类塑料。其化学结构与聚乙烯塑料类似,是碳碳骨架塑料的典型代表,在化学结构上与聚乙烯塑料的不同之处是聚丙烯塑料侧链有甲基。聚丙烯塑料与其他碳碳骨架塑料类似,由于具有太高的分子量、太强的疏水性、太高的化学键能和太低的生物可及性,这些特性导致这类塑料在环境中很难被微生物降解。

目前关于聚丙烯塑料生物降解的报道非常少。Cacciari 等较早探究了微生物菌群对聚丙烯塑料的降解能力,其报道指出通过微生物菌群处理约 6 个月后,聚丙烯塑料重量有所下降,且有机试剂萃取得到的小分子产物有所上升,但微生物菌群处理后的降解效率非常低下。阻燃剂厂家发现对于未处理的聚丙烯塑料,在土壤混合培养物处理长达一年后,仅有 0.4%的重量损失,而对于经过热处理的聚丙烯塑料在相同处理条件下,其重量损失提高到 10%, 这 揭示了预处理对于微生物降解聚丙烯塑料的重要性。

从土壤中分离得到的微生物菌株对于经过紫外辐照后的聚丙烯塑料显示出一定的降解能力,而对于未经预处理的聚丙烯塑料没有降解能力。这一方面说明获得的微生物降解效率低下,另一方面说明非生物因素的处理在提高聚丙烯塑料的生物可及性中发挥着重要功能。Jeyakumar 等探究了不同预处理手段及混合淀粉等可降解材料对真菌降解聚丙烯塑料的辅助效果,结果发现紫外线处理、金属离子氧化剂处理或混合淀粉等 可降解材料均能在一定程度上提高真菌对聚丙烯塑料的降解能力,而没有预处理的聚丙烯很难被真菌利用。不足之处及尚未解决的问题包括 :目前对于聚丙烯塑料微生物降解的研究还处在代谢菌株资源分离阶段,可研究和应用的聚丙烯塑料降解菌株严重缺乏。高效且高特异性的降解菌株未见报道;微生物代谢机理未知。

2、讨论与展望

迄今为止,尽管已经证实了多种塑料可被微生物降解,并发现了降解塑料的微生物或生物酶,但是目前针对塑料的微生物降解的研究仍存在以下问题:

(1)目前发现的塑料的微生物降解效率均非常缓慢,还应进一步探索优化微生物降解的手段,深入研究高效塑料的微生物降解途径。

(2)目前已发现的具备相关能力的菌株种类较少,因此寻找有效的生物降解塑料的微生物和酶系统,丰富降解菌株资源库方面工作亟待研究。

因此筛选多种塑料的降解菌和菌群,并对其降解特性、功能基因及关键酶进行遗传、物理、化学、分子和生化水平的研究,为储备塑料降解的微生物资源以及和塑料降解酶的资源,同时为构建高效降解微生物提供理论依据和可行性,也将作为酶改造工程的基础,为塑料制品的物质循环利用提供一定的理论基础。另外,利用传统的物理化学诱变手段来筛选具有特殊功能的塑料降解菌也是一个研究方向。



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