塑料的生物降解：从微生物群落到肠道微生物
塑料废物的不断积累是现代社会面临的主要环境挑战之一，因此迫切需要有效的生态环境技术以克服传统处置途径对环境的有害影响。2021年8月，一篇发表在Science of The Total Environment的综述文章“Plastic wastes biodegradation: Mechanisms, challenges and future prospects”着重描述了微生物在整个塑料生物降解过程中的作用，同时，该文章还强调昆虫肠道微生物群落降解合成塑料废物的能力。这些发现可能有助于建立塑料废物的生物升级循环过程，以实现有价值代谢产物的生物合成。
合成塑料在现代社会中被认为是至关重要的材料，种类繁多，应用广泛（图1）。根据最近的计算，76%的整体塑料生产最终被作为废物处理。其中，9%被回收，12%被焚烧，79%被土地填充或释放到环境中。塑料垃圾的大量释放对动物和人类都会造成严重的影响。焚烧虽然被认为是克服塑料填埋积累问题的替代方案，然而这一过程也会对环境产生负面影响。
图1.合成塑料类型及其市场份额比例
目前对塑料的生物降解机制及其效率的知识有限，在这篇文章中，作者介绍了影响塑料降解过程的重要因素，讨论了不同类型微生物的塑料降解能力，旨在强调塑料废物的生物向上循环方法。此外，还讨论了某些昆虫和无脊椎动物的塑料降解能力。
01
塑料降解的方式及影响因素
环境中塑料的降解可以遵循四种主要机制中的一种或一种组合，即光降解、水解、热氧化降解和生物降解。在自然条件下，普通塑料如HDPE、LDPE和PP，开始于光降解，并进行热氧化，在较小程度上是通过水解。降解过程导致塑料和聚合物的分子量降低。这些低分子量的化合物可以被微生物代谢。影响因素如图2所示。
图2.影响塑料降解率的因素
02
塑料废物的生物降解
生物降解主要是指厌氧微生物利用聚合物作为生长的碳源将聚合材料转化为沼气和生物质。许多复杂的天然和合成化合物都是由微生物菌群而不是单个菌株进行生物降解的，因此，可以假设，塑料废物可以通过微生物组合更有效地降解。在一个微生物菌落中起作用的微生物可以通过直接参与生物降解或去除潜在的毒性中间体，也可以通过代谢交叉喂养或产生诱导共代谢的降解代谢物来间接改善生物降解。生物降解总体有四个基本阶段：定殖、生物碎片化、同化和矿化（图3）。
图3.塑料的生物降解过程和检测方法
1. 细菌
细菌菌株可以降解受污染的水或土壤中的塑料聚合物物质。一些研究报道，特殊细菌的塑料生物降解可能是受污染生态系统的一种潜在的生物修复策略。文献调查表明，假单胞杆菌、芽孢杆菌和链霉菌等菌株对各种塑料聚合物表现出较高的降解效率。这些结果还表明，细菌在塑料生物降解中的作用需要进一步的研究，以筛选几种细菌种类的潜力和细菌菌群在塑料生物降解中的有效性。虽然真菌的塑料降解率超过了细菌，但与需要更稳定条件的真菌相比，细菌更容易生长和降解聚合物材料。
2.真菌
真菌在聚合物材料的降解中起着关键作用。真菌菌丝可以有效地穿透聚合物材料表面，深入基团内部，以降解该底物的最大结构。此外，真菌菌丝可以分泌细胞外酶（如解聚酶）并分解聚合物底物转化成低聚物、二聚体和单体，这些单体随后被真菌吸收，或被其细胞内酶系统同化或矿化（图4）。真菌产生和分泌的酶量明显高于细菌。白腐真菌和褐腐真菌经常被报道为聚合物的有效降解物。真菌对聚合物的降解能力归因于它们的酶系统，它排泄了多种胞外酶，包括锰过氧化物酶(MnP)、木质素过氧化物酶(LiP)、多功能过氧化物酶和漆酶(Lac)，能够分解并最终矿化木质素。
图4.真菌酶学体系和聚酯降解机理
3. 藻类
目前，只有少数研究报道了藻类物种减轻白色污染的能力。值得注意的一点是，丝状藻类在塑料废物表面有定居的能力，但受环境因素如阳光、营养物质和水影响。与细菌和真菌可能被认为是一种生物污染物的系统相比，微藻是一个潜在的候选系统，因为它们不包含内毒素，而在光自养条件下不需要有机碳源。此外，一些生产孢子细菌和真菌物种，并不能很好地适应大多数塑料废物积累的海洋栖息地。来自杆菌藻、绿藻和蓝藻的几种无毒藻类能够在聚烯表面定殖，并在各种受污染的池塘、湖泊和废水等水体中形成藻类生物膜。据报道，易于分离和生长快速的Phormidium lucidum和 Oscillatoria subbrevis（淡水无毒蓝藻）可以在PE表面定殖，并可以在没有任何预处理的情况下轻松降解LDPE。此外，有研究成功地利用三角藻硅藻作为微生物工厂，生产了一种具有抗PET和共聚物PETG（聚对苯二甲酸乙二醇）活性的工程PETase。
藻类通过附着在塑料表面产生胞外多糖和木质素溶解酶开始降解过程。微藻可以通过基因改造成为微生物细胞工厂，产生和分泌聚合物降解酶。例如，莱茵衣藻通过转基因产生PETase，检测后发现在塑料表面形成空腔和孔，证实了降解能力。微藻废水处理工艺是最有前途的先进的废水处理和养分回收技术之一，近年来受到了越来越多的关注。微藻可以将废水中的营养物质去除到非常低的水平，可满足日益严格的排放和再利用标准。由于许多污染物被微藻同化，废水的处理成本大大降低。微藻可以生活在废水中提供的水和营养物质上，不需要补充水和营养物质，因此微藻废水处理有可能降低与化石肥料相关的生产成本和温室气体排放。此外，这些微藻也可以转化为增值产品，包括沼气、生物燃料、肥料、动物饲料。
4. 无脊椎动物和昆虫
研究已证实有几种无脊椎动物可降解塑料聚合物，如超级蠕虫Zophobas atratus，印度餐蛾，大蜡螟，肉虫幼虫，小蜡虫，陆地蜗牛（黄蜗牛）等。此外，一些群居昆虫，如白蚁，也表现出类似的能力，这种对塑料聚合物降解的显著活性通常归因于它们的肠道微生物共生体（图5）。有报道称，在白蚁肠道中的共生生活的微生物菌群可为其宿主提供实质性的利益，为昆虫的消化道提供了广泛的特殊功能。在此基础上，有研究报道了小籽粒螟、水稻象鼻虫和烟甲虫对双轴定向聚丙烯(BOPP)、低密度聚乙烯(LDPE)和聚酯多层薄膜的降解活性。还有研究报道了蜡虫由于芽孢杆菌的存在进食和消化PE膜的能力，研究者研究了芽孢杆菌的基因组并表明存在182个基因负责异种生物的分解代谢活性。
有研究评估了粉虫对PS和PE消化的能力，发现49%的PE被转化为二氧化碳。此外，PS饲粮和PE饲粮中聚合物的分子量分别降低了13%和40%，这种能力可归因于Kosakonia和柠檬酸杆菌的代谢活性。据报道，T.molitor也能够快速以PS泡沫为食，降解率为每天50%。2020年有研究发现PS泡沫喂养的超级蠕虫(Z.atratus)每条每天消化0.58mgPS，是T.molitor的4倍。有研究发现大蜡螟降解 PP 和 PE 的潜力，他们的结果表明大蜡螟可以降解 92% 的塑料材料，降解率估计为 1.84 mg/天/条虫。有研究者指出黄曲霉的存在是大蜡螟具有塑料生物降解能力的主要原因，因为黄曲霉可以产生 Lac 和类 Lac 多铜氧化酶。然而，也有研究者将大蜡螟的潜力归因于不动杆菌属的存在和活性。有报道说，使用 150 只大蜡螟幼虫以 PE 或 PS 为食，由于芽孢杆菌和沙雷氏菌的活性，记录到塑料质量的损失。这样一来，昆虫的作用需要更多的调查和研究，而昆虫肠道微生物组的贡献仍然未知。
03
展望
聚合物的生物降解问题在于其本身的性质，事实上，微生物酶系统对不可水解的合成聚合物是无用的，微生物降解聚合物的发生和活性也普遍因环境条件而异。根据这些问题，作者建议生物降解过程和参数需要进一步的研究，以量身定制最优的的微生物群落，且应集中在蛋白质组学和基因组学的领域；强调藻类在增强各种塑料聚合物的生物降解方面的作用，藻类的的氧化应激增加了塑料聚合物的极性，利于生物降解；考虑塑料食昆虫和无脊椎动物的突出作用，在工业应用中开发，为科学研究提供广阔的平台；强烈推荐用生物降解聚合物取代原始塑料聚合物，比如应用纳米技术或使用生物基聚合物替代。
供稿：朱子薇
编辑：徐娅 张彤 李晓萌
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