刘 昀 贺 媛 白聪艳 王若翰 雷 淼 柴浩东

（西北民族大学化工学院，甘肃 兰州 730030）

0 引言

塑料地膜的生产原料主要是石油提炼物，其成分通常以聚乙烯为主。聚乙烯（Polyethylene，PE），基本结构为-[CH2-CH2]n-，是1种线性饱和碳氢化合物，结构上和石蜡、长链烷烃相似，属于高分子量烷烃，是1种十分稳定的聚合物。聚乙烯是我国合成树脂中进口量最多、产能最大的品种，五大合成树脂之一。聚乙烯主要分为高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、线性低密度聚乙烯（LLDPE）3类[1]。此外，聚乙烯属于烷烃惰性聚合物，具有良好的化学稳定性，且疏水性能良好，不容易被酶和微生物降解。在自然条件下，普通的聚乙烯地膜降解过程十分漫长，至少需要百年时间。

1 聚乙烯地膜的特点

低密度聚乙烯（LDPE）地膜最常用于蔬菜生产，该种地膜透光性好，提高地温，易与土壤黏结，适用于北方；高密度聚乙烯（HDPE）地膜，可以用于玉米、小麦、棉花等农作物，该种地膜光滑，强度高，柔软性差，不易黏着土壤，不适合覆盖沙土地，其增温保水效果与LDPE地膜基本相同，但是透明性和耐候性略差。线性低密度聚乙烯（LLDPE）地膜，可以用于蔬菜、棉花等作物，除了具有LDPE地膜的特性外，机械性能良好，伸长率提高了50%以上，穿刺强度、冲击强度、撕裂强度均较高，其透明性、耐候性都好，但是易粘连。

2 地膜使用情况及优势

土壤表面覆盖地膜，可以提高土壤温度，减少了土壤水分流失，促进作物对水分的吸收和生长发育，维持土壤结构，利于肥料的腐熟和分解，提高土地肥力，防止害虫啃食作物以及引起某些微生物导致的病害等，地膜覆盖成本低、使用方便、增产幅度大，是1项既能防止水土流失，又能提髙作物产量的常用措施。我国大部分地区都已普及和应用地膜，在西北、华北、东北主要旱作地区已经成为1种突出的增产节水措施，现今使用范围已从北方半干旱和干旱区域逐步扩展到南方的高山、低温地区，覆盖农作物类型也逐渐增加，由经济作物扩展到大宗粮食作物，而且可以在1 a之中的任何时候使用，土壤被预热过的晚春时节是最佳的使用时间。地膜主要用于小麦、玉米、棉花、花生、马铃薯、甜菜、瓜果、烟、药、麻和茶等40多种不同农作物，可以使作物产量普遍增加了30%～50%，增值40%～60%[2]。地膜的覆盖不仅使农业生产力水平有了很大的飞跃，而且加快推动了农业发展的现代化进程。因此将地膜这种具有提升土壤温度、增肥保湿、提高土壤水分利用率、减少耕层盐分和防治病虫害等作用的新型农业产品，誉为“农业的第二次革命”。

3 地膜污染情况

农田中残膜污染给农业生产过程中造成了巨大的影响，我国地膜残留污染量大且面积广，所有地膜覆盖后的农田土壤中均有不同程度的膜残留污染；地膜残留量如果达到0.006 kg/m2以上，就可以使农作物减产10%以上。土壤耕层中大量地膜残留，水肥运移受阻、土壤结构恶化、种子发芽和作物根系生长受到影响、农机部件损坏，籽棉中混入残膜导致棉花品质降低，而混入饲料动物误食将导致死亡；早期我国推广地膜覆盖种植技术时，地膜厚度在0.012 mm～0.014 mm，随着工业技术水平的发展进步，农民为了减少生产成本、制造商为追求经济利益，农用地膜就被制造得越来越薄，甚至个别地区的地膜厚度小于0.005 mm。地膜变薄、加速老化，秋收时破损程度严重，强度变差，难以实现人工回收，机械回收难度大、回收率低，农田残膜量大[3]。如果通过焚烧处理废旧地膜，在焚烧过程中产生的烟尘、刺鼻气味是最直接的环境污染物；焚烧残渣中污染物质富集，如果处理不当，对环境的危害程度相当大；焚烧过程会向大气释放大量温室气体，加剧居住环境的恶化。

4 土壤微生物种类及特性

土壤中微生物含量丰富，土壤越肥沃，微生物数量和种类越多，土壤微生物是指土壤中一切肉眼可发现或难以发现的微小生物的总称，包括细菌、真菌、古菌、病毒、放线菌、藻类和原生动物，其个体微小，一般以微米或毫微米计算。大约1 g土壤中有106～109个微生物，其数量和种类随着土壤环境及其土层深度的改变发生变化[4]，它们可以促进土壤养分的转化和有机质的分解。土壤中各种微生物的种类及特点见表1，细菌的生存条件为中性及微酸性，一般分为2类，一类是自养菌，有同化CO2的能力，可以直接影响土壤的理化性质，平衡土壤的酸碱度；另一类是异养菌，通常都是以和作物共生的状态存在，可直接促进作物的生长。放线菌和霉菌主要分解土壤中的纤维素、木质素和果胶类物质，以此改善土壤的养分状况，以便于作物直接吸收利用土壤养分。真菌以孢子和菌丝分布于土壤中，分为寄生、腐生和共生3种类型。古菌与细菌的功能类似，参与土壤有机物的转化。藻类通常为丝状的微生物，与高等植物一样含有叶绿素，可以固定空气中氮素营养，帮助植物利用以各种状态存在的氮素养分。土壤是微生物的“天然培养基”，也是它们的“大本营”，对人类来说是最丰富的菌种资源库。在土壤中筛选可降解聚乙烯地膜的菌株，其来源广泛，有利于减少残留地膜对土壤造成的损伤，充分发挥土壤微生物的积极作用，促进农业可持续发展。

表1 土壤微生物的种类及特点

5 聚乙烯地膜降解及特点

“降解”是指：1） 高分子化合物的大分子分解成较小的分子。2）有机化合物分子中的碳原子数目减少，分子量降低[5]。聚乙烯的降解可以大致分为两类非生物降解和生物降解，前者为温度、紫外线照射等外界因素引起的降解，后者是因微生物作用引起的生物降解，这些微生物修饰和消耗聚合物，导致聚合物性能的改变。聚乙烯地膜降解指聚乙烯高分子链在微生物的作用下，使C-C键断裂，进而造成分子链上的碳原子数目减少、聚合度降低、相对分子质量降低，小型结晶区域和非结晶区域解聚成亲水性低聚物或小分子，最终完全分解为H2O、CO2、CH4、生物质等各种微生物代谢产物的过程。聚乙烯是由成千上万个乙烯小分子均聚或与少量α-烯烃共聚而成的线性高分子化合物，其降解特性受分子链结构、重复单元、凝聚态结构3个结构层次的共同影响，主要包括分子链长度、分子键强度、分子结晶度、分子亲/疏水性等方面[6]。聚乙烯地膜的自身结构与环境因素共同影响了降解速度。聚乙烯分子链缺乏被微生物酶系统所利用的官能团，难以与化学、生物物质直接接触或进入微生物体内分解代谢；此外，组成聚乙烯分子的C-C共价键键能强度大，理化性能稳定，需要较高的能量或作用力才可以发生分子键断裂；这些因素导致聚乙烯分子降解过程缓慢，甚至难以降解[7]。

6 可降解聚乙烯材料的微生物

目前已发现的可降解聚乙烯材料的微生物主要有细菌和真菌，其中真菌又以霉菌为主，多为曲霉属真菌。据报道，以下真菌能生长在经UV处理过的线性低密度聚乙烯地膜：黑曲霉（Aspergillus niger）、瘤孢棒囊孢壳（Corynascus sepedonium）、镰刀菌属（Fusarium sp.）、毛壳菌属（Chaetomium sp.）、葡萄穗霉属（Stachybotrys sp.）、拟青霉（Paecilomyces variotti）、镰孢菌（Fusarium solani）、木霉属（Trichoderma sp.）等；烟曲霉菌（Aspergillus fumigatus）、土曲霉（A. terreus）能降解线性低密度聚乙烯薄膜；降解聚酯类薄膜可使用宾曲霉（Aspergillus tubingensis）；其他真菌如尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）、简青霉（Penicillium simplicissimum YK）等，能降解的聚乙烯数均分子量范围从几百到几万不等。细菌类降解菌，解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）能够降解线性低密度聚乙烯薄膜；能够降解聚乙烯数均分子量范围从几百到几千的有假单胞菌（Pseudomonas.spp）、奈瑟氏球菌科（Neisseriaceae）、蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）、醋酸钙不动杆菌（Acinetobacter calcoaceticus）、玫瑰红红球菌（Rhodococcus rhodochrous）等；Ideonella sakaiensis 能完全降解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）[1]。真菌如青霉（Penicillum sp.）、曲霉（Aspergillus niger）、木霉（Trichoderma sp.）其分属于3个不同属；细菌如乳酸链球菌（Streptococcus lactis）、微球菌（Micrococcus sp.）、普通变形杆菌（Proteus vulgaris）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、假单胞菌（Pseudomonas sp.）、肠杆菌（Enterobacter asburiae）、芽孢杆菌（Bacillus subtilis），分别属于7个不同属[7]，但是能够降解高分子量聚乙烯的降解菌目前很少发现。

7 土壤中筛选PE降解微生物

目前常见的在土壤中筛选可降解PE微生物方法：1） 选取微生物含量丰富的土壤，称量一定质量的土壤，制备土壤稀释液。土壤可以分为砂质土、黏质土和壤土3类。砂质土的性质为含沙量多，颗粒粗糙，渗水速度快，保水性能差，通气性能好。黏质土的性质为含沙量少，颗粒细腻，渗水速度慢，保水性能好，通气性能差。壤土的性质：含沙量一般，颗粒一般，渗水速度一般，保水性能一般，通气性能一般。土壤一般选用黏土或者农用地膜覆盖的农田；黏土结构紧密，固水，保肥力强，养分较丰富，有机质分解慢，腐殖质易积累，有良好的厌氧发酵条件[8]。2） 聚乙烯样品预处理。将样品放在无菌操作台上，紫外灭菌2 h。3） 配制无碳基质培养基（见表 2），将聚乙烯样品添加至培养基，然后接种土壤稀释液，150 r/min 35 ℃的摇床培养，逐日观察，培养基是否浑浊，发现浑浊即将菌株进行富集和分离纯化，转移培养液至新鲜培养基中继续培养，得到以聚乙烯为唯一碳源的菌株；同时设置不含聚乙烯样品的对照组。

表2 无碳基质培养基配方

无碳基质培养基是不含碳源的无机盐培养基，筛选聚乙烯降解菌的无机盐培养基组成常为磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、硫酸镁、硝酸氨、氯化钠、硫酸亚铁、硫酸锌和硫酸锰。其中无机盐的作用如下：1） NaCl平衡渗透压，在培养基中起调节渗透压的作用。2） MgSO4，Mg2+是EMP、TCA途径及赖氨酸产生的重要霉激活剂。3） 磷酸盐，磷元素不仅是蛋白质、核酸的组成部分，而且是ADP 、ATP的组成部分，提供能量；磷也是细胞膜的组成部分，在培养基中起缓冲作用。4） FeSO4，组成细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶的活性基团。

8 检验降解菌对聚乙烯的降解效果

8.1 通过聚乙烯粉末观察菌株降解情况

首先对液体无碳培养基、聚乙烯粉末进行灭菌处理，然后将菌株接种到含不同分子量聚乙烯粉末的无碳培养基中，设置对照组，聚乙烯作为唯一的碳源在35 ℃、150 r/min条件下摇床培养，观察菌株的生长情况和聚乙烯粉末的变化情况，定期收集摇瓶内聚乙烯粉末含量，计算聚乙烯粉末的失重率，失重率按公式（1）计算，定期通过扫描电镜观察菌株的变化，如菌株对聚乙烯粉末的覆盖情况。

8.2 通过聚乙烯薄膜观察菌株降解情况

首先聚乙烯薄膜进行无菌处理并裁剪成小片，放入无碳基质培养基中接种菌株，设置对照组，在35 ℃、150 r/min的条件下摇床培养，培养一段时间后，取出膜片进行如下处理：洗涤样品，利用0.01 mol/L磷酸盐缓冲液（pH 7.2）清洗，重复2次，以除去表面未粘附菌，然后用多聚甲醛（4%）处理8 h，乙醇（50%）处理2次，每次0.5 h，使用70%、80%、90%、95% 乙醇处理1 h，100%乙醇处理2 h，样品自然干燥后，镀铬，利用扫描电镜观察膜表面细菌侵蚀和生长情况[9]。

9 结语

该文主要根据聚乙烯地膜的理化特性和分子结构以及使用环境，系统说明了土壤中微生物对聚乙烯地膜的降解机理、发展前景和常见的筛菌方法。土壤中所含有的丰富微生物为降解聚乙烯地膜提供了新的方向，也拓宽了研究领域，对白色污染的治理将有重要的影响。但是，目前降解菌株的降解效率较为低下，大规模地使用土壤降解菌株处理聚乙烯地膜还要有很长一段路要走。检验土壤中微生物对聚乙烯地膜降解效果的方法目前主要是通过扫描电镜观察地膜的变化情况，如膜表面的破损粗糙及孔洞，因此检测方法较为单一。此外，当前研究的聚乙烯地膜通常为市场销售的成品，因为使用需要在生产过程中添加了各种有机添加剂，在实验过程中无法确定菌株生长时实际利用的碳源是否来自聚乙烯塑料本身还是其他添加剂，而使用聚乙烯粉末进行实验，通过计算失重率误差过大，或利用扫描电镜观察现象，所以寻找更多的检测手段和易于发现的实验现象对研究菌株的降解效果很重要。