生物降解塑料降解技術

       傳統塑料的廢棄物一般通過堆積填埋的方法進行處理，該方法產生的滲濾液和溫室氣體不僅會對土壤造成污染，還會加重溫室效應。而生物可降解塑料在不同環境條件下( 如堆肥、 土壤和水生系統) ，均有生物降解的可能性。其中，堆肥和土壤降解由于具有微生物多樣性而得到了廣泛應用。

 

 

       一、堆肥降解

       堆肥降解技術是有機廢物資源化和有機固體廢物處理的有效方法。其主要通過細菌、真菌和放線菌作用于生物可降解塑料，并將其轉化為腐殖質的生物化學過程。該技術可以直觀地反映塑料在自然條件下的降解情況，已逐漸成為評價塑料可生物降解性能的主要方法。

       將堆肥作為微生物群落，使其對不同生物可降解材料進行生物降解，是近年來廣泛研究的課題。生物可降解材料的降解效果通常采用其降解的失重率表示。在純生物塑料中加入易被降解的材料，制備得到了共混生物復合材料，能提高生物塑料在堆肥條件下的生物降解性。

       Anstey等利用堆肥法對聚丁二酸丁二醇酯（PBS） 進行降解，研究表明，純PBS經100 d的堆肥降解率為24%；而將含有可溶性糖的豆粕粉末添加到PBS中，得到共混生物復合材料，在相同條件下，該復合材料降解率可以達到60%。

       Wu等將聚乳酸（PLA）/劍麻纖維共混后制成薄膜，在相同條件下，掩埋14周，其降解率比純PLA提高了50%。Ahn等分別將PLA/淀粉/家禽羽毛纖維（PFF）共混材料和純PLA制成塑料罐，置于58℃下，堆肥60 d，研究發現，二者降解率分別為53%、13%。

       分析結果表明，在純PLA中的生物降解能力較低，這是由于，在共混生物復合材料中加入淀粉比純PLA更易被微生物降解，且在純PLA生產過程中，成型和擠出等加工操作也能導致其生物降解能力較低。

       Mostafa等利用醋酸纖維素（CA）分別與成本較低的纖維亞麻和棉絮制備得到共混生物復合材料，進行14 d的堆肥后，二者的生物降解率分別為44%、35%。Wu等在相同條件下，堆肥60 d發現，含有稻殼（RH）的聚羥基鏈烷酸酯（HA）復合材料的降解率比純PHA提高了45%。這是由于，隨著稻殼含量不斷增加，共混生物材料的性能明顯提升，其吸水性能顯著降低，提高了共混生物復合材料在堆肥過程中的降解效果。

       Tabasi等在相同條件下，將PLA、聚－β－羥丁酸（PHB）分別與聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯（PBAT）共混，制成生物塑料，在相同條件下，采用堆肥降解方法發現，2種共混生物材料的降解率明顯低于純PLA、純PHB。利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）法觀察以上2種共混物在堆肥過程中成分的變化，結果表明，降解開始時，2種共混物的生物降解率基本相同；后來，由于PBAT分別與PLA、PHB形成一個三維空間網絡，導致該生物共混材料降解速率減緩，最終，降低了降解效果。

       還有研究表明，某些特殊的共混生物復合材料需要在較高溫度和較長時間條件下堆肥，才能完全降解。Rudnik等分別研究了PLA在40℃及約150℃自然堆肥及工業堆肥條件下生物降解的情況。結果表明，PLA在自然堆肥條件下的降解速率明顯低于后者，因此，溫度是影響PLA堆肥降解效果的主要因素。

       盡管市場上的部分生物塑料被貼上純生物降解的標簽，但是，它們堆肥的潛力尚未得到證實。Vaverková等對2個應用于表面清潔的海綿布生物塑料樣品（樣品A和樣品B），在pH=6.5～8.0，濕度為30%~65% ，溫度為58℃的條件下，進行了為期22周堆肥生物降解實驗，結果表明，樣品B的生物降率能超過80%，而樣品A的生物降解率最低僅為12.8%。將某些易被降解的材料加入純生物塑料中，得到共混生物復合材料，不但能改變其力學性能，還能顯著提高生物塑料在堆肥條件下的降解效果。但是由于堆肥降解機制較為復雜，降解時間較長，同時還受到生物因素和非生物因素影響，因此，還需要對堆肥條件下的生物降解情況進一步研究。

 

 

       二、土壤降解

       由于塑料廢棄物廣泛地分布在土壤環境中，因此，還需要對塑料廢棄物在該環境中的變化及影響進行研究。在土壤環境中，含有大量的微生物且其種類具有多樣性，使塑料的生物降解比在其他環境中更加可行。

       為提高生物塑料的降解效果，科研人員研究了各種生物可降解材料在土壤中的降解情況。Wei等研究了馬鈴薯皮廢渣纖維（PPW-FR）/PHB共混生物復合材料在土壤中的生物可降解性，結果表明，與純PHB相比，當共混生物復合材料中的PPW-FR達到50%時，該共混材料僅需要8個月就能完全降解。進一步研究表明，PPW-FR降低了PHB的結晶度，提高了該材料的降解速率。

       Harmaen等將空果串（EFB）纖維加入PLA，將得到的共混材料在土壤中降解2周發現，在相同條件下，其比純PLA的降解速率提高了15%。EFB纖維的纖維素含量越高，吸水率越高，對材料的生物降解速率具有協同作用。

       研究人員在地中海地區，同時對純PLA及PLA/EFB共混生物復合材料進行了為期11個月的土壤生物降解研究。結果表明，雖然PLA/EFB最終被完全降解，但是其生物降解過程非常緩慢。因此，該材料需要較高的溫度和較長時間才能被完全降解。

       有研究表明，土壤環境的pH不同，材料的生物降解效果也不同。Boyandin等研究表明，PHA薄膜在越南及和樂地區的土壤環境中的降解率超過98%，而相同時間內，其在越南大壩白地區的土壤環境中的降解率僅為47%。而這2個地區土壤的pH值分別為6.63、5.48，這表明不同土壤的pH值影響了微生物活性及微生物分泌的降解酶，從而影響了PHA的降解速率。

       將某些易被降解的材料加入純生物塑料中，制得共混生物復合塑料，能夠提高生物塑料在土壤條件下的生物降解性，但是，生物塑料對降解條件的要求較高。并且，pH值也是影響生物材料在土壤條件下，生物降解效果的因素。

 

 

       三、水生系統降解

       在水生系統中，同樣存在塑料廢棄物大量堆積情況。塑料廢棄物不但會對水生系統造成污染，還會對水生動植物產生不利影響。近年來，國內外相關人員對生物塑料在水生系統中的生物降解情況進行了大量研究。

       Tosin等研究了6種不同棲息地掩埋的生物塑料降解情況。結果表明，相對于富營養化環境，生物塑料在海洋中上層的降解效果更為明顯; 并且，在水－沙界面處，生物塑料降解速率最高，這是由于，水－沙界面的環境條件有利于降解塑料微生物的生長。

       Thellen等在靜態和動態海水中，比較了3－羥基戊酸酯和3－羥基丁酸酯的共聚物（PHBV）與PHB的降解情況，結果表明，PHBV和PHB在動態條件下的失重率均低于靜態條件。這是由于動態條件下，海水中微生物養分供應不充足和海水溫度變化導致的；此外，實驗還研究了沉積物的添加對塑料降解效率的影響，研究表明，沉積物對塑料的降解效果具有較好的促進作用。

       Volova等研究了海水溫度對塑料生物降解情況的影響，結果表明，在1999年和2000年的不同時期，由于氣候溫度的變化，PHA薄膜的生物降解速率不同。另外，在海水中，不同的微生物在對生物塑料的降解過程中均發揮了重要的作用。

       雖然環境因素和生物塑料形態對生物塑料的降解機理不同，但是均會影響生物塑料在水生系統中的降解效果。例如，環境因素主要是通過相應的微生物產生的生物塑料降解酶，影響生物塑料的降解性；生物塑料的形狀則是通過改變生物塑料在海水中附著的微生物數量影響生物塑料的降解性。

 

 

       可降解生物塑料的微生物

       在不同的環境條件下，降解塑料的微生物種類也不同。研究發現，可降解塑料的微生物有90多種，并且分布廣泛。生物可降解塑料的降解方法較多，其中，微生物的酶促降解方法是最有效的方法之一。

       這些能夠對生物可降解塑料進行降解的微生物，可以通過其產生相應的胞內酶或胞外酶，利用生物塑料進行分解代謝，降解生物塑料。例如，在PHB土壤生物降解過程中，微生物通常是從對PHB表面開始攻擊，然后細菌會將降解酶分泌到體外，依靠胞外解聚酶C端與N端的密切作用，將PHB降解為低分子量產物，如3－羥基丁酸、乙酰乙酸和少量乙酸等，然后，以上物質能透過細胞膜，進入微生物體內部，微生物可以將攝入的物質分解再利用，最終代謝為CO₂ 和H₂O。

       王巖從降解PHB的微生物中，分離篩選出假單胞菌屬菌株DSWY0601，該菌株產生的胞外酶可以將PHB降解為可溶于水的小分子。這些小分子可以透過生物膜進入細胞，從而參與微生物的代謝循環，最終能降解完全。

       另外，某些能夠降解PLA的微生物會產生胞外解聚酶，但是該酶無法穿透PLA，因此，微生物分泌的酶降解過程僅在PLA表面進行。由于解聚酶具有選擇性，會先進入PLA的特定區域（如無定形區）進行降解，然后PLA結晶區域也開始降解，導致PLA分子的酯鍵斷裂，PLA分解為小分子產物（如寡聚體等），由于降解產生的小分子產物可以通過細菌的半透膜，因此，其最終可以被細菌代謝。

       于丹等利用菌株DS0901對PCL膜表面進行降解發現，膜先被分解，出現小孔洞，隨時間延長，孔洞半徑不斷增大；隨著降解時間及其程度加深，膜表面降解變得更加明顯。進一步研究結果表明，最終降解產物為低分量的PCL單體與二聚體，并且降解過程是由膜表面逐漸向膜內部進行。上述降解過程并未發現菌體的附著，這表明該菌株是通過自身分泌的胞外解聚酶對PCL薄膜進行降解。

       利用可再生資源生產的生物塑料，可以通過其他環境中的微生物進行降解。Sekiguchi等研究發現，從深海沉積物中分離得到的降解PCL的細菌，不能降解PLA、PHB、PBS和丁二酸丁二醇酯－己二酸丁二醇酯共聚物（PBSA）等其他生物塑料，這主要是由于，深海條件與其他條件的壓強不同。從該環境中分離出了假單胞菌、芽孢桿菌、纖細芽孢桿菌等多種生物降解菌。

       不同微生物的共培養可以促進生物塑料降解。其他微生物可以利用主微生物降解生物塑料得到的的中間體，促進生物降解。Abe等發現，菌株寡養單孢菌YB－6不能單獨降解PBS，但是當將其與腐皮鐮孢霉菌WF－6混合使用時，能促進PBS的生物降解。Nishida等研究表明，少動鞘氨醇單胞菌與水解酶菌株的共培養，顯著提高了聚對二氧雜環己酮的生物降解性能。Nakasaki等的研究中，當芽孢桿菌HA1與鏈霉菌PDS－1共培養時，PCL的生物降解能力顯著提高。

       在土壤中，具有適合大多數微生物生長的溫度、pH、營養等條件，因此，微生物可以通過自身產生相應的酶作用于生物塑料，對其進行降解。并且我們可以從土壤中篩選出的微生物范圍更廣，期望獲得更多能夠降解生物塑料的微生物，并將其應用于生物塑料降解領域。

       在某些極端條件下，微生物能對某一生物塑料起到了降解作用，但是，該條件下的微生物并不一定能對所有生物塑料均起到降解作用。因此，共同培養不同的微生物為生物塑料的降解提供了新思路，利用該方法能夠高效、有序地將生物塑料徹底降解。

 

 

       結語

       各種微生物在不同的生態系統中（填埋、堆肥、海水、河水等) ，可以對生物塑料進行降解。但是，在不同的環境條件下，降解塑料微生物的生物多樣性也不同。在土壤和堆肥環境的條件下，表現出較高的生物塑料降解性，這主要是由于，在該條件下，微生物的多樣性較高。大量的塑料會進入水體和海洋系統中，并對淡水和海洋生態系統造成不可避免的影響。基于上述問題，未來對生物塑料的降解的研究及開發應該關注以下幾個方面。

       1、不同微生物的共培養可以促進生物塑料的生物降解，但是相關降解機理尚未進行研究。因此，在未來的研究中，可以通過研究不同微生物共培養的相關機理，實現提高生物可降解塑料降解性的目的。

       2、根據生物可降解塑料性能，合理利用模壓成型、擠壓成型、吹塑成型等傳統方法生產塑料制品，并結合3D打印技術拓展其應用領域，并對解決環境污染，實現綠色可持續產生重要影響。

       3、傳統一次性不可降解塑料制品已在外賣、電商等新興行業得到了廣泛應用，但是后續處理較復雜，限制約了其發展，因此，對生物降解塑料生產加工技術的發展和創新提出了更高的要求。低耗能、高產能、對環境友好的可降解塑料制品是未來的重點研究方向。

 

 

摘自網絡

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