林 文，赵晶晶，苏婷婷 ，王战勇

（1.辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁抚顺 113001；2.沈阳农业大学生物科学与技术学院，沈阳 110866）

0 前言

塑料制品因其价格低廉和使用方便等优良特性得到了广泛的使用。在给人们带来了巨大便利的同时，也造成了以“白色污染”为代表的环境问题［1］。PS是目前使用最为广泛的通用塑料之一［2］。PS的热稳定性能和流动性能优异，容易加工成型和二次加工，因而常用于制备一次性餐具和保温泡沫或商品包装等。但PS废弃后在环境中自降解周期较长，若不能科学地对废旧PS 进行回收处理，不仅会造成环境污染，还会造成资源浪费。包括中国在内的很多国家在PS 垃圾回收处理处置方面的制度和技术还不够完善，约70%的PS泡沫塑料被掩埋或焚烧，这不仅导致资源浪费，更造成了严重的环境污染。

微生物是自然界中的分解者，几乎所有天然存在的化合物都可以被微生物利用和降解，而人工合成的塑料高分子化合物也可以被微生物降解利用。微生物降解塑料不会造成污染，并且不需要太多的能源消耗，是一种安全环保的塑料分解处理方式。近些年来，有关塑料生物降解的研究逐渐增多，尤其是近十年来，作为传统意义的不可降解塑料PS 也被发现可以被微生物降解。本文对近些年来PS 生物降解领域的研究进行总结归纳，并对微生物降解PS 的发展趋势和应用进行了展望。

1 PS的生物降解

作为传统塑料制品的PS 在环境中是很难被降解的。常规的处理方法多为填埋或焚烧，这会造成一系列的污染问题并对环境和人类健康带来威胁和隐患［3-4］。近些年来研究人员已经陆续在昆虫肠道、土壤、海洋以及活性污泥中发现了具有PS 降解能力的微生物，并通过一系列的表征手段证明微生物参与了PS 的降解，并可能在降解过程中起到主导作用。

1.1 昆虫肠道微生物降解

鞘翅目和鳞翅目昆虫的幼虫具有取食PS 泡沫的习性［5］，对PS泡沫进行咀嚼，并通过自身的肠道系统进行消化。在这个过程中，肠道中存在的微生物发挥了至关重要的作用［6-7］。多种化学方法（聚合物质量损失和分子量的转移、化学功能的改变、生物降解中间体的形成、CO2的产生）、物理方法（表面疏水性、热分析）和生物方法（抗生素补充、肠道失调、塑料微生物降解物的分离）为PS在幼虫消化道的生物降解提供了证据［8］。人们已经陆续发现10 余种昆虫幼虫可以取食塑料，而取食的塑料种类多数为PS、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）等。研究人员已经陆续展开了昆虫降解塑料的研究，为塑料的绿色环保降解提供了一种新的途径［9］。

Lou 等［10］通过对粉虫取食后的残渣中剩余PS 和低密度聚乙烯（PE-LD）的分子量与饲喂的PS 和PE 原料的比较，证明了2种塑料发生了解聚和生物降解。经过塑料的饲喂，粉虫肠道微生物群落发生了显著变化。杨莉等［11］研究发现大麦虫幼虫也具有取食PS 的能力，并且随着PS 的摄入，大麦虫幼虫的肠道微生物菌群发生了显著的变化，Morganella、dysgonmonas、Klebsiella和Pseudomonas等属的微生物显著富集。Tsochatzi等［12］研究了黄粉虫（Tenebrio molitor）在不同饲料条件下对PS 的生物降解，并对幼虫肠道组织、粪便和饲料残渣进行分析。15 d 内的PS 降解率为16%～23%，在肠道组织中没有PS 或PS 寡聚物，但存在一些生物活性化合物和微量烷烃，且大多带有小碳链。在粪便中，鉴定出了生物活性分子（脂肪酸、酰胺类）和几种碳氢化合物，这些碳氢化合物大多具有较长的碳链。表1列出了一些在昆虫幼虫肠道中筛选到的具有PS 降解能力的微生物。

表1 昆虫肠道中的PS降解微生物Tab.1 PS-degrading microorganisms in insect gut

昆虫的肠道中富含多种微生物，其中某些微生物在PS 降解中起到重要的作用，已有一些PS 降解菌从昆虫幼虫肠道中被分离得到。Bae 等［13］的研究发现肠道微生物在粉虫降解聚苯乙烯泡沫（EPS）中起着重要作用，并且发现了2 种EPS 降解菌（Cronobacter sakazakii和Lactococcus garvieae），这2 种微生物种群密度在饲养EPS 的粉虫幼虫肠道中显著增加。孔芳等［14］从黄粉虫幼虫肠道分离出一株PS 降解菌株Aspergillus nigerKHJ-1，PS 经该菌株降解60 d后的失重率可达4.29 %。Rae 等［15］研究从大麦虫的肠道分离得到的Pseudomonas sp.DSM 50071 对PS的降解行为。使用扫描电子显微镜（SEM）观察到了PS 的降解，并进一步分析PS 表面原子组成和水接触角的变化，发现了PS 膜表面从疏水性到亲水性的变化。利用X 射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（NMR）分析发现了PS 生物降解过程中氧化途径中羰基（C=O）的形成。反转录定量聚合酶链反应分析发现：在PS 降解过程中，Pseudomonas sp.DSM 50071 中丝氨酸水解酶基因表达量显著升高，并通过对该酶的抑制进一步证实了酶介导的PS 生物降解的发生。Yang 等［16］在黄粉虫肠道中分离得到PS 降解菌株Exiguobacterium sp.YT2，并使用庆大霉素对肠道进行抗生素抑制，发现抗生素抑制削弱了黄粉虫肠道微生物解聚长链PS 分子的能力。该菌株能在28 d 的培养时间内在PS 膜上形成生物膜，并在PS 膜表面形成明显的凹坑和空洞，这与疏水性降低和碳氧极性基团的形成相关。菌株YT2培养60d对PS的降解率可达（7.4±0.4）%。Wang 等［17］研究了赤拟谷盗咀嚼和食用PS泡沫的行为。研究发现不动杆菌（Acinetobacter sp.）与赤拟谷盗对PS 的摄食密切相关。在赤拟谷盗幼虫肠道中分离到一株能降解PS 的菌株Acinetobacter sp.AnTc-1。经AnTc-1 培养60 d 后，PS 粉末的质量和分子量均有显著的降低。Tang 等［18］对取食PS 的黄粉虫（Tenebrio molitor）和大麦虫（Zoophobas morio）幼虫的肠道微生物进行筛选，分离得到两株PS降解菌株TM1 和ZM1，经16S rDNA 分析确定其属于气单胞菌属（Aeromonas sp.）和肺炎克雷伯菌属（Klebsiella pneumoniae）。TM1 和ZM1 均可在PS 乳化板上生长，表明菌株可以利用PS 作为营养碳源生长，并且酵母提取物的添加有助于微生物对PS 的降解。Woo 等［19］研究报道了拟步甲（Plesiophthalmus davidis）的幼虫对PS 的生物降解。14 d 内每只幼虫摄取（34.27±4.04）mg 的PS 泡沫，且仅靠PS 泡沫存活。FTIR 证实摄入的PS 泡沫塑料被氧化。从肠道菌群中分离得到的沙雷氏菌（Serratia sp.WSW），在20 d 内也在PS 膜上形成生物膜和空洞，但降解不如肠道菌群明显。XPS 证实了经过Serratia sp.WSW 培养的PS 膜中出现了C—O 和C=O 键。微生物群落分析表明，喂食PS 泡沫塑料2 周后，沙雷氏菌在肠道菌群中的数量显著增加。这表明拟步甲幼虫及其肠道细菌可用于化学修饰和快速降解PS。此外，笔者所在课题组［20］也从饲养PS 泡沫的大蜡螟幼虫肠道中分离到一株PS 降解菌株Massilia sp.FS1903。该菌株与PS 膜共培养30 d 可以破坏PS 薄膜表面形貌，降解后的PS 薄膜表面有氧化反应发生。培养30 d 后，PS 膜质量显著下降，失重达到（12.97 ±1.05）%。

目前大部分研究均表明，在这些昆虫幼虫体内的确可以进行PS 的生物降解，且幼虫体内的肠道环境存在能够降解PS 的微生物或是某些未知酶。研究人员通过在昆虫幼虫体内筛选能够降解PS 的菌株，利用菌株在体外环境对PS 的降解进行了研究。结果均表明在微生物的作用下，PS 膜表面的结构和形态均发生了变化，并且分子量也有一定的改变。但是PS 的降解是一个极其复杂的过程，而昆虫肠道内的微生物菌落种类繁多，微生物之间可能存在一些协同作用来共同参与PS 在其体内的降解，这方面的研究目前还是相对较少。利用昆虫幼虫进行塑料生物降解是处理塑料垃圾的一个有吸引力的选择，尽管还需要进一步的研究，以评估其长期生存能力，特别是潜在毒理学等安全性问题方面。昆虫对塑料的生物降解还存在许多问题，这些材料的潜在毒性还有待进一步研究。

1.2 自然环境中微生物降解

自然环境中的PS 经风吹日照等物理化学因素的影响，PS 会比未暴露的更容易被环境中的微生物降解［21］。表2总结了一些环境中分离发现的能够降解PS的微生物。

表2 环境中的PS降解微生物Tab.2 PS degrading microorganisms in the environment

研究人员在土壤、海水和堆肥中的PS 降解中发现了一些微生物在PS降解的过程起着重要的作用。Kim等［22］从土壤中获得2 株PS 降解嗜酸细菌，lini PseudomonasJNU01 和Acinetobacter johnsoniiJNU01。菌株可以在PS 为唯一碳源的培养基中富集。在PS 存在的情况下，它们在基础培养基中培养的生物量增加了3 倍以上。Atiq 等［23］从掩埋PS 薄膜的土壤中分离出以PS 作为唯一碳源生长细菌：Microbacterium sp.NA23、Paenibacillus urinalisNA26、Pseudomonas aeruginosaNB26。菌株NA26、NB6、NB26 能够从PS 分子中获得碳，但整个过程非常缓慢，因而膜的表面并没有明显的化学变化。邢睿智等［24］以从堆肥中分离的Geobacillus stearothermophilusFAFU011 菌株为研究对象，分析其对PS 的降解性能及机制。结果表明，FAFUA011 可利用PS 作为碳源进行生长，并在其表面形成稳定的生物膜；经过56 d 的处理，FAFUA011可使PS 塑料膜的质量下降4.2 %，重均分子量和数均分子量分别降低17.4 %和18.2 %。Arya 等［25］从塑料垃圾场里分离出两株微生物，分属于芽孢杆菌属（Bacillus sp.）和假单胞菌属（Pseudomonas sp.）。芽孢杆菌处理后HIPS 膜的失重率为23.7 %，而假单胞菌处理后HIPS 膜的失重率低于10%。Chauhan 等［26］通过对湿地微生物的筛选，发现了两株对PS 具有生物降解潜力的细菌菌株，Exiguobacterium sibiricumDR11 和Exiguobacterium undaeDR14。Exiguobacterium菌株是利用PS 作为碳源生长的。PS 降解是由PS 表面生物膜的形成引发的，从而导致材料的物理性能发生改变。Chaudhary 等［27］研究了头孢菌属（Cephalosporium sp.）和毛霉属（Mucor sp.）微生物对PS 的降解，培养8 周后，PS 的分子量分别下降了4.96 %和4.29 %。Weinstein 等［28］对包括PS 在内的多种塑料在盐水沼泽地里的降解进行了研究，研究发现生物基和生物可降解塑料在盐沼中具有广泛的降解速率。4周后，所有塑料上都形成了生物膜，导致质量增加，大多数塑料的紫外线透射率随之下降。测试结果表明PS基的购物袋比传统的石油衍生塑料降解速度更快。Oikawa 等［29］通过土壤分离出可降解苯乙烯和PS 的细菌。通过16S DNA 分析，分离到的降解苯乙烯的微生物为假单胞菌属（Pseudomonas sp.）和芽孢杆菌属（Bacillus sp.），降解PS 的微生物为黄单胞菌属（Xanthomonas sp.）和鞘氨醇杆菌属（Sphingobacterium sp.）。其中，Bacillus sp.STR-Y-O 对苯乙烯和PS 均有分解作用。Syranidou 等［30］为了探索本土海洋微生物群落降解自然风化PS 薄膜的能力，进行了两阶段微观实验。在第一阶段，将原生海洋微生物群落与自然风化的PS 膜片一起培养，以研究微生物对PS 降解的潜在影响。第二阶段，将培养过的生物膜群落再次与风化的PS 膜片一起培养，测试PS 降解是否增强。结果发现2 个阶段都有效地减轻了PS 膜片的质量。在分子量分布方面，观察到膜的数均分子量在微生物处理下有了下降。FTIR 还发现了PS 表面官能团强度的变化以及生物侵蚀的迹象。

1.3 其他有关PS的生物降解

PS 在实际应用中还经常与其他材料进行共混以改善其性能从而获得改善降解能力用以拓展PS 的应用领域。Shimpi等［31］研究了PS 复合材料的生物降解，利用铜绿假单胞菌研究了PS∶聚乳酸（PLA）和PS∶PLA∶有机改性蒙脱土（OMMT）纳米复合材料的生物降解性能。结果表明与PS∶PLA 复合材料相比，PS∶PLA∶OMMT 纳米复合材料的降解速率更高。说明OMMT 存在提高了材料的降解率，生物可降解材料的组成可提高聚合物的降解性。Nikolic 等［32］研究了PS和淀粉共聚物材料在3种不同的商用土壤中（富含腐殖质的土壤、仙人掌土壤、兰花土壤）的生物降解，结果表明不同土壤样品中的微生物具有不同的生物降解能力，仙人掌土壤中材料的降解率较高，而PS 在共聚物中的比例与生物降解程度呈显著的负相关关系。Oliveira 等［33］将PS 与淀粉进行共混后加入含有30 %牛粪的黑色底土，采用土壤掩埋法评价PS/淀粉共混物的生物降解性能，研究发现淀粉的增加有助于PS 的降解。

Umamaheswari 等［34］将PS 粉末接种于土壤、污水和牛粪后，利用FTIR 进行分析，发现FTIR 谱图中出现了C—O 的伸缩振动吸收峰，证明PS 发生了降解。当PS 粉末接种于污水以后，出现了C—H 和C=C 的伸缩振动吸收峰，接种于牛粪以后，出现了O—H、C=O和C=C 的伸缩振动吸收峰。PS 片埋在土壤、污水和牛粪中时均出现了C=C 的伸缩振动吸收峰。这些都证明PS发生了降解。Tourova等［35］研究了在海水和石化企业的工业水中培养的PS 样品形成生物膜的原核生物组成。结果表明，海洋和工业水域含有潜在的降解PS 的微生物种群，这些种群可能被用于分离PS 降解微生物。

此外，还有某些非昆虫类动物也能够取食PS，Song 等［36］在发现蜗牛也具有取食PS 泡沫行为。在处理4周后，蜗牛平均摄入（18.5±2.9）mg PS，粪便中产生了微塑料，平均质量损失显著达30.7%。粪便残留PS 的重均分子量和数均分子量显著增加，表明解聚程度有限，摄入PS 后蜗牛肠道微生物组发生了显著变化，说明肠道微生物与PS 的生物降解有关。非昆虫类动物也能对PS 进行生物降解，扩大了降解PS 的生物种类的范围。

2 PS生物降解机理

塑料的生物降解是指微生物通过其胞外或胞内酶对塑料进行降解，并将塑料作为生长的基质［37］。实际情况中，生物降解过程发生往往在有多种微生物存在的环境。由于这一特殊性，材料生物降解性并不是特定材料的绝对属性，而是与该过程发生的环境中的特定条件密切相关［38］。一般来说，微生物无法降解合成聚合物，主要是由碳原子和氢原子组成的聚烯烃，被认为是抗生物降解的。这是由于聚合物中缺乏包含碳氧键（C=O、C—OR）的主链位置，而这些正是微生物酶的作用位点。无论是在实验室还是在野外，大多数生物降解研究都使用细菌。主要的原因是传统的微生物富集技术更加有利于细菌生长，因为真菌的生长速度较慢，通常需要协同代谢底物才能生长。然而，当真菌被分离时，菌丝生长允许基质快速定植［39］。尽管在聚合物表面生长并不是真菌同化聚合物中所含碳的充分条件，但这种生长可以被认为是生物降解的必要条件，而且是一种容易、快速、清晰的测试来评估大分子材料对生物降解的响应［40］。

微生物PS 降解会在聚合物上形成生物膜，分泌降解酶，把复杂的聚合物分解成短链的低聚物、二聚体和单体的过程称为解聚［41］。微生物附着在支撑材料上后，支撑介质的表面粗糙度提供了足够的附着位点，还可以保护微生物免受流体动力学产生的剪切力的影响［42］。当微生物生活在PS 材料作为唯一碳源的环境中，微生物菌株可利用这个碳源生长。然而，如果这些菌株生活在含有PS 材料等多种碳源的环境中，PS 的生物降解率可能会显著降低。而矿化是最终产物为CO2、水或甲烷的降解过程［43］。研究人员对PS 的降解机理做了初步的研究，在有氧条件下，苯乙烯通常通过乙烯基侧链的氧化进行代谢。细菌降解苯乙烯的代谢途径如图1［44］所示，乙烯侧链氧化途径包括逐步生成氧化苯乙烯、苯乙醛、苯乙酸和苯乙酰辅酶a，进入三羧酸（TCA）循环。苯乙烯和苯乙醛也可生成2-苯乙醇，直接攻击芳香环。而PS 的降解机理目前还不是特别清楚，有待后续研究。

图1 苯乙烯的降解途径Fig.1 Degradation pathway of styrene

3 结论

（1）对于PS 这种难降解的塑料，科研人员们已经在积极的寻求新的降解途径，并且也有了一些成果。目前，已经有部分研究证明了纯微生物菌株和复杂微生物群落都可使PS 降解，但是生物降解速度较慢。通过黄粉虫等昆虫对PS 进行取食，然后既将取食过PS的昆虫作为饲料来饲养鱼类、鸟类等动物，又可通过其肠道分离降解PS 的微生物进行研究。土壤、湿地、堆肥等对PS 也能产生降解，但是离不开风吹日晒等因素的影响；

（2）目前对于PS 降解微生物的大部分研究都是在好氧的基础上进行的，而在厌氧环境下的研究相对较少。从理论上讲，PS 可以作为微生物的碳源，类似于许多其他碳氢化合物，为微生物提供生长所需的营养物质。而微生物的作用机理目前还有部分尚未明确。将来，更多的研究关注点将会集中在微生物分泌的降解酶或其他未知物和使用添加剂上；

（3）微生物分泌的酶或其他未知物可以破坏PS的结构，而添加剂的使用可以使材料更容易被降解，如淀粉等物质，能够加速塑料与氧的反应，并在降解的第一阶段将氧原子纳入碳链，使之能够被降解。从环保的角度来看，添加剂的使用可以降低塑料的含量，但添加剂的选择和用量等问题还存在许多问题。所以不管是PS 降解微生物的筛选及微生物分泌的酶介导还是添加剂选择和用量，将来仍是一个长远的研究方向。