伍珊

摘 要：塑料因其易制造、功能多样、使用方便等原因多年来被大量生产并使用，但由此而产生的环境污染问题愈发严重。优其是近年来研究发现大多数塑料制品被丢弃后并未完全降解，大量的塑料碎屑在海洋及陆地水体中形成了微塑料污染，对环境、生物及人类健康造成了威胁，目前海洋微塑料污染的相关研究主要集中在监测分布、毒性分析领域，降解方法的研究刚刚兴起。从海洋微塑料污染的来源、危害、监测、分析以及生物降解等几个方面综述了相关研究进展，并对海洋微塑料生物降解技术的发展进行了讨论及展望。

关键词：海洋微塑料，生物降解，可水解塑料，不可水解塑料

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.09.096

塑料是以单体为原料，通过加聚或者缩聚反应聚合而成，大多添加一些其它化学物质以改变性能的高分子聚合物。由于易制造、成本低、化学性质稳定、温度耐受范围广、防水性好，自上世纪30年代被发明以来，在世界范围内的使用迅速普及，生产量逐年稳定提高，至今全球已生产了超过83亿吨塑料。应用广泛的塑料包括聚苯乙烯、聚氯乙烯、尼龙、聚氨酯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙酯。这些塑料在环境中被物理、化学和生物的作用逐渐腐蚀，大的塑料废品易在环境作用力的效果下被碎片化，但这些塑料大约需要400年左右时间才能被彻底降解，大多数塑料会形成粒径小、密度低，能在风力、洋流等外力作用下进行迁移的塑料碎屑，直径小于5mm的塑料碎屑被称为微塑料。微塑料污染的产生对海洋环境有多方面的危害，已经在国际上引起广泛的关注。

1 微塑料的来源

全球每年约有800万吨塑料流入海洋。海洋中的微塑料通常来源于陆地河流流入、渔业及石油等海上作业环节。日常生活用品中的添加的各种塑料颗粒、工业使用的塑料原料等最终经过不完全的污水处理过程由河流进入海洋，其主要化学成分为聚氨酯、聚苯乙烯等。另外，海岸带堆放的塑料垃圾进入海洋也会造成污染。

2 海洋微塑料的分布及特征

微塑料在水体表层、近海岸海滩和水底深积物中均有分布，并且存在较大的空间差异。一般来说，近海岸海域微塑料污染严重，多与人类生产活动密集程度有关。海岸沉积物中含量高于深海沉积物。目前，人们调查采集的微塑料形状、大小、颜色、密度各有不同，与其来源的塑料类型有关。由于微塑料在产生过程中受到了各作环境作用力，形状多不规则、表面凹凸不平、多有裂缝，经常附着原油、铁氧化物、有机污染物、细菌甚至病毒等物，受季风和洋流等外力影响在不同海域聚集。

3 海洋微塑料污染的危害

2015年，联合国海洋环保科学问题联合专家组发布了《海洋微塑料的来源、去向和影响》一文。微塑料易被浮游生物及鱼类等误食营造假的饱腹感并积累，随着捕食关系在食物网中转移和富集，最终会对人类的健康造成威胁。目前，微塑料在不同的生物如蚊子、贻贝等体内不断被检出。已有研究证明，用微塑料喂食的大鼠肝功能受损，雄性大鼠的生殖功能也受影响。塑料沥出物还会造成海洋桡足类动物Nitocra spinipes的死亡。

4 海洋微塑料的采集及分析方法

建立准确、高效的分析方法是研究环境中微塑料分布及迁移规律、生态及生物毒理效应的基础。通过文献搜索发现，目前全球在海洋微塑料污染方面的研究大部分集中在监测及毒性分析领域，治理及降解方法等方面也有少量研究。

环境中微塑料分析的一般环节包括选定监测地点、采样、预处理及定性定量分析四个大的环节。根据监测地点研究对象的特点选取采样方法，如表层沉积物样品采集可使用直接挑选法;被沉积物颗粒覆盖的样品可用大样本法采集;丰度低的样品可用浓缩法采样。水中采样时选用的装置根据水深及采样方法进行选择，表层水用拖网或水桶、中层水选用Bongo网或水桶、深层水用底栖拖网等方式。可通过采集浮游生物以及大型生物组织切片来研究微塑料在生物体内的分布情况。样本经过目检、密度分离、过滤、过筛、消解等预处理后可以进行物理形态、化学组分等方面的定性分析及定量分析。

5 塑料生物降解研究进展

塑料可被环境物理、化学作用力缓慢分解但耗时太久，按照目前的塑料生产使用速度及降解水平，至2050年海洋中的塑料垃圾数量将超过海中鱼的数量。研究证明，自然界存在能彻底分解塑料制品的微生物。目前人们大量生产使用的塑料可分为两大类：可水解和不可水解类。降解不同化学组分塑料的微生物不同，降解代谢也不同。下面将根据塑料化学组分的不同，分类描述其生物降解研究进展。

5.1 可水解塑料的生物降解

可水解塑料包括聚酰胺（Polyamides，PA）、聚氨酯（Polyurethane，PUR）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。

聚酰胺（PA）俗称尼龙，主链重复单元间以酰胺键相连，酰胺键与天然蛋白的肽键高度相似。PA有优良的力学性能，自润滑性、耐摩性、绝缘性、耐化学药品性优良，是用途广泛的通用工程塑料，近年来为了满足工业新需求还产生了各种改性尼龙。目前已报道的PA的生物降解途径有两种：水解途径和氧化分解途径。来自黄杆菌属、假单胞菌属、节杆菌属及壤霉菌属等微生物的水解酶有催化PA低聚物水解的活性。黄杆菌属体内的三个基因nylA，nylB和nylC能编码两种尼龙二聚体水解酶及一种尼龙寡聚物水解酶。Negoro等人解析了由壤霉菌属nylC编码的尼龙寡聚物水解酶的晶体结构并证明四倍体突变体能水解多聚尼龙，但尼龙水解酶是否能在合适的时间段内大量分解PA还需证明。人们发现白腐病菌P.chrysosporium 和黑管菌能以多聚物作为唯一的氮源供应菌丝生长。相较于PA6和PA66，nylon-4在土壤和淤泥中的生物分解快且简单，假单胞菌属分泌的胞外水解酶參与nylon-4的分解过程。

聚氨酯（Polyurethane，PUR）是一类多元醇和聚异氰酸酯反应生成的由氨基甲酸酯链链重复单元相连的聚合物。常被用于制作各种软/硬泡沫塑料。其多元醇基元控制PUR的可生物降解性，聚醚多元醇增加降解难度，聚酯多元醇使材料对微生物作用更敏感。研究发现，酯酶和蛋白酶都参与了酯链的分解。Russell等人从植物内生菌中分离出拟盘多毛孢属的两种菌通过一种丝氨酸水解酶参与分解PUR。2017年中科院昆明植物所许建初课题组分离并鉴定到一株名为塔宾曲霉菌的真菌，能通过酯酶及脂肪酶等破坏聚氨酯分子间化学键，并在菌丝的物理强度辅助下降解聚合物，在聚氨酯表面生长，电子显微镜SEM及傅立叶变换衰减全反射红外光谱ATR-FTIR等观测分析结果清楚可见PU被降解，条件合适时两个月后可见聚氨酯基本消失。PUR的生物降解研究比较深入，能被微生物降解的一般为聚酯型PUR，相关基因和酶也被不断发现，降解产物因微生物不同而有差异。Cosgrove等人已尝试构建生物促进和强化技术系统对土壤环境中的PUR进行加速降解处理，降解聚酯PUR效率明显提高。

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是由对苯二甲酸与乙二醇缩聚而成的带有芳香环的聚脂纤维，俗称涤纶树脂。分子结构高度对称，具有很好的光学性能、耐摩耗性。PET常用于生产纺织业的合成纤维以及矿泉水瓶、碳酸饮料瓶等。PET耐候性强，可长期存在于环境中。曾经德国将PET废瓶回收后送往中国制成粗呢毛衣，印度也加紧生产出合格再生PET，日本研制出回收再生PET改性剂，解决了部分PET回收利用技术问题。长期以来作为一种高熔点芳香酯，PET被人们认为不可被生物降解。然而，Muller等人后来发现一种来自嗜热性放线菌Thermobifida fusca的水解酶在55℃条件下3个星期内能使低结晶的PET薄片质量减少50%。随后大量的研究涌向PET回收或纤维改性等潜在工业应用方向。Yoshida等人发现Ideonella sakaiensis 201-F6在30℃下6个星期能完全降解低结晶度PET薄膜，该菌株产生的两种酶能将PET分解为小分子物质。研究表明，降解温度越接近底物的玻璃化温度75℃，降解效果越好。但是环境温度通常远低于这一温度，是环境PET生物降解的一大难题。PET的生物降解表现出与其它天然多聚物如纤维素解聚作用的相似性。结晶性高低是生物降解作用的关键影响因素，结晶度越高越难降解。

5.2 不可水解的塑料的生物降解

不可水解的塑料包括聚乙烯（Polyethylene，PE）、聚丙烯（Polypropylene，PP）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS）和聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）。与可水解塑料的分子结构不同，不可水解塑料不含能被水解的化学键，它们的主链完全由未连接活沷反应基团的C-C键构成，微生物似乎只能选择采用氧化还原策略将这些多聚物降解成小分子物质后再同化利用。人们在研究木质素的降解过程中发现了许多过氧化物酶，且其中的MnP还能降解多种无水解键的腐殖质和褐炭等物质，为人们寻找不可水解塑料的氧化降解酶提供了灵感。

聚乙烯（PE）是目前合成最广泛的多聚塑料之一，由乙烯单体聚合而成，其性能取决于聚合方式。根据分子量大小和链结构可分为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯，常用在塑料袋、农业用膜（大棚、地膜）、吹塑、注塑等工业及农业领域。聚乙烯化学性质稳定，室温下可耐稀酸腐蚀，但不耐强氧化腐蚀。长期暴露于空气中或阳光下会老化甚至粉化，但彻底分解也困难。能降解PE的微生物以细菌和真菌为主，来自Rhodococcus ruber和Trametes versicolor两种微生物的漆酶可分解聚乙烯。Paco等人发现一株海洋真菌Zalerion maritimum，FTIR，NMR和SEM等方法的结果证明它在无机盐培养基中具有降解PE的作用。

聚丙烯是全球使用第二广泛的合成塑料，其主链各亚基上的甲基排列在同侧的称为等规聚丙烯，是工业生产的PP的主要形式，结构规整，高度结晶化，熔点可达160℃之上，耐热、耐腐蚀。Artham等人发现PP样品在海水中1年后质量只减少了0.65%，Arkatkar等人发现PP在土壤中1年后质量只减少0.4%，但在他们的研究中经过热预处理的PP样本质量可减少10.7%，被降解的PP样本中存在杆菌Bacillus flexus，说明氧化预处理对PP的生物降解效果非常重要。另外，人们发现一些真菌具有降解PP的能力，1年内真菌P.chrysosporium和Engyodontium album 能使经过UV预处理的纯PP或混金属PP降解达10%以上。

聚苯乙烯（PS）是苯乙烯单体的聚合物，玻璃转化温度高于100℃，常被用作耐热的一次性容器，如一次性饭盒等。无添加的聚苯乙烯无毒但脆性较大，耐碱耐盐，不耐氧化，热及氧化条件下易老化。对聚苯乙烯生物降解的研究一直在进行，但大部分的降解试验中PS质量损失非常少，表明PS几乎不能被微生物分解。自我国中学生陈重光发现黄粉虫啃噬聚苯乙烯泡沫塑料后國内外不断有团队开展有关黄粉虫消化PS的机制的研究。Yang等人发现聚苯乙烯饲喂的黄粉虫幼虫粪便中PS长链发生解聚，证明了肠道微生物对PS分解起主要作用，分离出一株能以PS为唯一碳源的微小杆菌Exiguobacterium sp.YT2，在液体培养60天能降解7.4%±0.4%的聚苯乙烯。孔芳等人从啮食60天PS的黄粉虫幼虫粪便中分离出能以PS为唯一碳源的两株好氧菌及一株真菌，以真菌Aspergillus niger KHJ-1降解性能较好，反应60天可降解PS质量的4.29%。

聚氯乙烯（PVC）是氯乙烯单体的聚合物。PVC本身对光和热的稳定性差，实际应用中常加以稳定剂并进行改性后成为商品。PVC受热50℃以上能释放氯化氢，燃烧能释放致癌物二噁英。氯杂原子的存在是其难以被生物降解的最可能原因。Otake等人发现埋在土壤中32年之久的PVC没有明显的生物降解现象。Santana等人Ali等人从土壤中发现了能在PVC薄膜上生长的真菌，PVC薄膜的质量和PVC的分子量都有少量减少，扫描电镜观察加上傅立叶转换红外光谱和核磁共振分析表明PVC的结构发生了一些变化。

6 讨论与展望

目前海洋微塑料污染愈发严重，已成为全球性污染事件，但有效的治理方法欠缺，主要实行以防为主的策略，从管理层面入手，杜绝更多污染。各国出台了各种各样的限塑令，智利已施行全面禁塑令。对已产生的塑料污染，物理、化学、自然降解方法各有其缺点，且海洋环境下这些方法的有效性进一步被削弱;微生物对塑料的降解效果与不同种类塑料本身的超分子结构、理化性质、反应的环境条件等密切相关，现有的生物降解方法也存在效率低、降解条件和菌种对海洋环境适应性不明、菌种数远远不够的诸多限制因素。研究人员已经发现可分解不同类型塑料人微生物及酶，但应用微生物治理海洋微塑料污染还需对生态风险进行评估，以确保在处理微塑料污染时不会产生其它负面影响。

未来在海洋微塑料治理方面，应继续加大对能降解微塑料的环境微生物的开发利用。如利用已发现的微生物降解酶信息，从已有的生物信息数据库中挖掘有用的微生物資源;或利用目前的监测数据，在海洋微塑料富集水域采集样品进行筛选分离新型微生物降解菌种;还可加大对微生物降解塑料机理的研究，明晰其相关代谢途径，考虑使用生物技术手段改造可降解微塑料微生物或酶，提高其降解效果。有了高效分解塑料的酶和微生物后还要建立能的海洋环境实际应用的整套技术体系。此外，微塑料很难被收集，分布也较为分散，寻求有效方法将海洋微塑料进行相对富集可能也有助于微塑料污染的治理。

参考文献

[1]Arthur Courtney B J，Bamford Holly.Proceedings of the International Research Workshop on the Occurrence，Effects and Fate of Micro-plastic Marine Debris[J].NOAA Technical Memorandum NOS-OR&R-30，2009，sept 9-11，2008.

[2]Andrady A L.Microplastics in the marine environment[J].Marine Pollution Bulletin，2011，62（8）：1596-1605.

[3]Rios L M，Moore C，Jones P R.Persistent organic pollutants carried by synthetic polymers in the ocean environment[J].Marine Pollution Bulletin，2007，54（8）：1230-1237.

[4]Engler R E.The Complex Interaction between Marine Debris and Toxic Chemicals in the Ocean[J].Environmental Science & Technology，2012，46（22）： 12302-12315.

[5]Rios Mendoza L M，Jones P R.Characterisation of microplastics and toxic chemicals extracted from microplastic samples from the North Pacific Gyre[J].Environmental Chemistry，2015，12（5）： 611-617.

[6]Al-Jaibachi R，Cuthbert R N，Callaghan A.Up and away： ontogenic transference as a pathway for aerial dispersal of microplastics[J].Biology Letters，2018，14（9）.

[7]Von Moos N，Burkhardt-Holm P，Khler A.Uptake and Effects of Microplastics on Cells and Tissue of the Blue Mussel Mytilus edulis L.after an Experimental Exposure[J].Environmental Science & Technology，2012，46（20）： 11327-11335.

[8]Bejgarn S，Macleod M，Bogdal C，et al.Toxicity of leachate from weathering plastics： An exploratory screening study with Nitocra spinipes[J].Chemosphere，2015，（132）：114-119.

[9]Negoro S.Biodegradation of nylon oligomers[J].Applied Microbiology and Biotechnology，2000，54（4）：461-466.

[10]Yasuhira K，Uedo Y，Takeo M，et al.Genetic Organization of Nylon-Oligomer-Degrading Enzymes from Alkalophilic Bacterium，Agromyces sp.KY5R[J].Journal of Bioscience and Bioengineering，2007，104（6）：521-524.

[11]Negoro S，Shibata N，Tanaka Y，et al.Three-dimensional structure of nylon hydrolase and mechanism of nylon-6 hydrolysis[J].J Biol Chem，2012，287（7）： 5079-5090.

[12]Friedrich J，Zalar P，Mohorcic M，et al.Ability of fungi to degrade synthetic polymer nylon-6[J].Chemosphere，2007，67（10）： 2089-2095.

[13]Klun U，Friedrich J，Kran A.Polyamide-6 fibre degradation by a lignolytic fungus[J].Polymer Degradation and Stability，2003，79（1）：99-104.

[14]Akutsu-Shigeno Y，Adachi Y，Yamada C，et al.Isolation of a bacterium that degrades urethane compounds and characterization of its urethane hydrolase[J].Applied Microbiology and Biotechnology，2005，70（4）：422.

[15]Russell J R，Huang J，Anand P，et al.Biodegradation of polyester polyurethane by endophytic fungi[J].Appl Environ Microbiol，2011，77（17）：6076-6084.

[16]Khan S，Nadir S，Shah Z U，et al.Biodegradation of polyester polyurethane by Aspergillus tubingensis[J].Environmental Pollution，2017，（225）： 469-480.

[17]Cosgrove L，Mcgeechan P L，Handley P S，et al.Effect of biostimulation and bioaugmentation on degradation of polyurethane buried in soil[J].Appl Environ Microbiol，2010，76（3）： 810-819.

[18]Müller R-J，Schrader H，Profe J，et al.Enzymatic Degradation of Poly（ethylene terephthalate）： Rapid Hydrolyse using a Hydrolase from T.fusca[J].Macromolecular Rapid Communications，2005，26（17）： 1400-1405.

[19]Yoshida S，Hiraga K，Takehana T，et al.A bacterium that degrades and assimilates poly（ethylene terephthalate）[J].Science，2016，351（6278）： 1196-1199.

[20]Paco A，Duarte K，Da Costa J P，et al.Biodegradation of polyethylene microplastics by the marine fungus Zalerion maritimum[J].Sci Total Environ，2017，586： 10-15.

[21]Artham T，Sudhakar M，Venkatesan R，et al.Biofouling and stability of synthetic polymers in sea water[J].International Biodeterioration & Biodegradation，2009，63（7）：884-890.

[22]Arkatkar A，Arutchelvi J，Bhaduri S，et al.Degradation of unpretreated and thermally pretreated polypropylene by soil consortia[J].International Biodeterioration & Biodegradation，2009，63（1）：106-111.

[23]Jeyakumar D，Chirsteen J，Doble M.Synergistic effects of pretreatment and blending on fungi mediated biodegradation of polypropylenes[J].Bioresource Technology，2013，（148）：78-85.

[24]Yang Y，Yang J，Wu W-M，et al.Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms： Part 1.Chemical and Physical Characterization and Isotopic Tests[J].Environmental Science & Technology，2015，49（20）：12080-12086.

[25]Yang Y，Yang J，Wu W M，et al.Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms： Part 2.Role of Gut Microorganisms[J].Environ Sci Technol，2015，49（20）：12087-12093.

[26]孔芳，洪康進，徐航，等.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（07）：1438-1449.

[27]Otake Y，Kobayashi T，Asabe H，et al.Biodegradation of low-density polyethylene，polystyrene，polyvinyl chloride，and urea formaldehyde resin buried under soil for over 32 years[J].Journal of Applied Polymer Science，1995，56（13）：1789-1796.

[28]Santana V T，Gonalves S P C，Agnelli J a M，et al.Biodegradation of a polylactic acid/polyvinyl chloride blend in soil[J].Journal of Applied Polymer Science，2012，125（1）：536-540.

[29]Ali M I，Ahmed S，Robson G，et al.Isolation and molecular characterization of polyvinyl chloride （PVC） plastic degrading fungal isolates[J].J Basic Microbiol，2014，54（1）：18-27.