微塑料的生物降解：迟做总比不做好
由于在经济、人类健康和美学方面的应用，塑料的使用愈加普遍。以微塑料 (微塑料)形式释放到环境中的主要塑料颗粒由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯 (PVC)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)组成。微塑料在环境中的大量使用和持续积累对生态系统和人类健康构成了全球威胁。目前生物技术、好氧生物降解方法都强调了微生物去除微塑料的潜力。这篇发表的在Chemosphere的文章“Biodegradation of microplastics: Better late than never”综述了最近的生物技术进展，如生物刺激、生物强化和酶促生物降解，可用于通过生物降解和生物积累去除微塑料。本文综述了不同生物降解性合成有机微塑料的生物降解知识和研究探索。然而，仍需要进一步研究以了解微塑料在土壤和水系统中生物降解的潜在机制，从而开发出一种有效的微塑料去除方法。
微塑料是新出现的潜在污染物，因为它们广泛存在于所有环境区域，包括大气、陆地和水生环境。它们被定义为粒径为1 μm–5 mm的塑料颗粒，并以不同的初级和次级类型、尺寸、形状和聚合物形式存在。微塑料的持久性和生物积累特性会对野生动物和人类有害。首先，微塑料含有其他有毒物质，这些物质可以在如颜料、增塑剂、阻燃剂等物质的生产过程中被添加或者可以通过环境过程中收集（例如病原体、多环芳烃、金属）。其次，塑料是十分耐用的，因此微塑料一旦进入环境可能需要更长时间才能降解。
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微塑料的来源和归宿
为了探索和设计一个永久的解决方案来防止微塑料在环境中的积累，有必要了解微塑料在环境中的来源和归宿（它们最终在哪里）以及导致它们分布和辐射的机制和因素。据悉，微塑料的主要来源有两个：初级微塑料和次级微塑料。由各种本地清洁产品产生并设计得很小的塑料被称为初级微塑料。这些包括因使用中磨损或洗涤直接释放到环境中的纺织品而产生的微粒和纤维碎片。其他常见的主要微塑料是去角质剂（例如，旨在去除死细胞的化妆品），具有柔软的边缘和用于皮肤清洁剂的无定形特征。塑料在喷气技术中的使用以及石油工业在钻井液和磨料中的使用也会产生初级微塑料。
次级微塑料是由环境中较大塑料的碎裂或风化产生的。由于大量较大的塑料进入环境系统，通常认为环境中的大多数微塑料属于次级微塑料。一旦微塑料在环境中释放或形成，它们将经历风化和运输的过程。结合生物和物理化学机制驱动使得微塑料从地表水迁移到沉积物。在沿海地区，微塑料容易受到高能量过程的影响，例如风，这会导致表面漂移或垂直混合。研究人员已经研究了微塑料从陆地到河流系统以及河流系统内的移动。我们目前对微塑料风化和降解过程的理解主要来自实验室研究。关于微塑料降解的信息有限，其中报告了几种降解机制。
02
从水和沉积物中分离微塑料
有必要收集塑料和吃塑料的酶/微生物，以便在特定条件下（例如，合适的温度、pH值、最佳湿度和充足的营养）使其完全降解。因此，应从土壤、水和沉积物中去除塑料碎片和微塑料，并用于生物解聚和随后的发酵，以获得有价值的化学品。污水处理厂是次级微塑料扩散到海洋和土壤中的主要载体，因为处理后的污水排放到河流中，污水污泥作为肥料施用于土壤。迄今为止，主要采用摄取、物理吸附和过滤、化学处理等水体修复方法。一项关于海洋和陆地生态系统中沉积物和土壤微生物生物降解碎片潜力的研究表明，由于可用氧气和光的含量低，塑料的降解率非常低。此外，关于生物技术应用的一些挑战，例如副产物对微生物的毒性，仍有待充分了解。识别可能阻止进一步代谢的中间化合物仍然未知。因为污水直接排放到水生环境中，物理吸附和过滤系统仍是日常微塑料的来源。因此，人们提出了有效去除微塑料的新方法。最近，报道了在外部磁场下使用氧化铁-二氧化锰核壳微电机的方法来去除微塑料。这种新方法可在2小时内从污染废水中去除10%以上的悬浮微塑料。浓缩微塑料的可能性可以增加微塑料对降解微生物的可用性，从而有效地从水体系统中去除微塑料。
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微塑料生物降解的原理
塑料和微塑料的降解，包括化学、物理和生物降解已在图1中进行了总结。微塑料的微生物生物降解包括几个步骤，例如：1) 聚合物从大聚合物结构中降解为较小尺寸的颗粒，2) 降解：将聚合物转化为低聚物、二聚物和单体，3) 微生物生物质对微塑料的矿化。图2显示了微塑料被几种酶分解为二氧化碳（完全矿化），以及所产生的中间体转化为能源和生物质生产的来源。
图1 聚合物的降解和生物降解
图2 微塑料生物降解中的好氧和厌氧途径以及相关酶的示意图
微生物的胞外酶（酯酶、脂肪酶、木质素过氧化物、漆酶和过氧化锰）通过转化为可增强微生物附着和进一步生物降解的官能团（如羰基或醇基）来增加塑料聚合物的亲水性。水解酶（如脂肪酶、酯酶、聚（3-羟基丁酸）解聚酶和角质酶）是细胞外酶，作用于塑料表面，将它们分解成更小的分子。在生物降解过程中，这些酶可能会在聚合物侧链或聚合物链上的化学基团中连接特定的敏感键，并增强链断裂。然而，由于它们的尺寸，它们不太可能扩散到聚合物结构中；因此，表面可能会发生降解，导致裂纹。在生物裂解步骤之后，具有羰基或羟基官能团的代谢中间体可以通过细胞内酶经β-氧化和三羧酸（TCA）循环在细胞内代谢。矿化：运输的分子完全降解形成完全氧化的代谢物（H2O、CO2、N2、CH4）。
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相对难降解的微塑料（PET）
PET可以使用糖酵解、再分化、水解和氨解进行解聚。作为化学PET解聚方法（例如糖酵解）的替代方法，可以利用微生物活动将塑料废物用作生物转化（例如水解）的原料。人们一直认为PET生物降解仅限于真菌物种，但在筛选天然微生物群落后，据报道细菌菌株也是降解微生物，并显示出利用细菌活性催化PET水解的可能性。
图3 Ideonella sakaiensis中的PET代谢途径
关于PET降解途径，Yoshida等人鉴定了一种能够分解PET的细菌菌株 Ideonella sakaiensis，并表明该菌株附着在PET上会产生两种水解酶（PETase、MHETase）。PETase是一种胞外酶，可水解PET产生单（2-羟乙基）对苯二甲酸（MHET）和TPA（对苯二甲酸）为主要中间体。MHETase将MHET水解为TPA和乙二醇（EG）。两者都是PET单体并且来源于原油。TPA通常通过TPA转运蛋白运输到细胞质，然后被氧化酶和环裂解酶分解代谢。Taniguchi等人提出了Ideonella sakaiensis的PET代谢途径（图3）。他们报道细胞外PETase水解并将PET转化为MHET作为重要产物，然后MHETase将MHET水解为TPA和EG（图 4）。TPA通过TPA转运蛋白和TPA结合蛋白转移到细胞质中并通过原儿茶酸（PCA）循环整合到三羧酸（TCA）循环中。Palm 等人报道了MHETase的晶体结构，它是PET完全降解的第二个关键酶。图4描绘了PETase和MHETase的分解和催化活性。
图4 PET的降解
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相对容易降解的微塑料
对环境中微塑料污染的日益关注提高了对可生物降解的生物塑料的需求，如聚-β-羟丁酸（PHB）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚乙交酯（PGA）和聚乳酸（PLA）。据估计，未来5年，生物塑料产量将从211万吨增加到262万吨。如果这些生物塑料在不受控制的状态下被处理掉，那么它们可能会被切碎成小块（微塑料）并堆积在周围环境中，这可能会对生态系统造成不利影响。因此，可生物降解塑料可以作为一种替代选择，有助于减少微塑料污染。
生物塑料的降解一般是由于塑料的碎裂及其化学和物理性质的改变，导致塑料材料的分子量降低而发生的。有几种类型的机制可用，例如化学（化学水解和氧化）、物理（冻融、加热和高压）、光氧化和热。塑料的生物降解涉及微生物（细菌或真菌）酶的作用，将生物塑料切割成易于代谢的二聚体、寡聚体和单体，如脂肪酶羟化酶、解聚酶和蛋白酶。通常，降解可以通过上述任何方式自然发生。一旦产品分解，微生物就会以这些产品为食，作为其生长和繁殖的关键碳源。生物塑料的降解示意图如图 5 所示。
图5 生物塑料降解过程中的常见微生物转化途径
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微塑料生物降解的生物技术进展
1. 生物刺激
生物刺激主要与添加营养物质以刺激本地微生物的生物降解有关。几项研究报告称，PLA、PHB、PVC和PE等聚合物的缓慢生物降解速率会使得它们分解成较小的尺寸，从而增加了它们在环境中的持久性。另一方面，刺激剂和诱导剂的使用有助于增加酶活性，从而提高微塑料的降解率。例如，Satti等人使用 0.2%乳酸钠刺激本地微生物群落。作者报告了PLA（24%）在环境温度下在土壤中的矿化率增加了150天。此外，作者还建议用刺激剂进一步优化，以进一步提高降解率并减少降解时间。同样，另一项研究表明，使用聚氨酯（PU）分散剂 (Impranil) 进行生物刺激可使PU生物降解从45%增加到62%。几种真菌菌株，如青霉属、毛霉菌属、红球藻和青霉属也用于在生物刺激后富集土壤，导致PU降解率高达70%。不同研究的结果表明，生物刺激和生物强化可能同步运行以增强微塑料的生物降解。
2. 生物强化
一般而言，生物强化主要涉及使用纯和/或聚生体聚合物降解培养物以及添加基因工程微生物以增加生物降解活性。但目前的技术和科学文献中没有报道使用工程微生物进行微塑料生物降解的成功案例。
3. 酶促生物降解
聚合物可以进行酶促生物降解。然而，对于微塑料的酶促降解，必须解决五个重要因素，包括 1) 表面拓扑结构、2) 结晶度、3) 吸水性、4) 聚合物链的取向和 5) 反应温度。已经有研究报道了PET水解酶在纤维、薄膜和纳米颗粒中的应用。其他塑料的酶促水解也是以前研究的目标，这些研究侧重于聚合物纤维的酶促表面改性（即改变塑料纤维表面的官能团）和塑料废物的处理（即纤维构建块的降解）。换言之，表面改性提高了塑料的润湿性、牢度、染色性和抗起球性能，最终提高了塑料的亲水性。此外，也有研究已经测试了几种酶处理，例如来自南极念珠菌的脂肪酶和来自米曲霉的角质酶，以提高织物的亲水性。此外，表面积与体积之比在降解过程中起着重要作用，即该比率越高或越小，聚合物尺寸比纤维或薄膜更容易降解。
07
展望
微塑料被认为是一种新兴污染物，因为缺乏来自土壤和水体中的微塑料污染的数据，限制了我们对微塑料对环境影响的理解。由于缺乏关于微塑料的定量数据，描述其对周围环境的生态毒理学风险更具有挑战性。简而言之，对微塑料的研究仍处于起步阶段，我们需要更进一步探索塑料与微塑料生成之间的联系。
供稿：钟驭涛
编辑：徐娅 李晓萌 张彤
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