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user: 3. 聚丙烯的生物降解 相较于非生物降解，生物降解聚丙烯能够自发减少环境中聚丙烯含量，使高分子化合物被吸收利用，重新进入生态循环系统。若能开发出高效降解聚丙烯的模式微生物，聚丙烯塑料污染问题可大为改观。但是目前发现的对聚丙烯具有较高生物降解能力的微生物种类较少。由于聚丙烯碳链中高度重复的亚甲基(-CH 2 -)会产生高度疏水的结构，并且每个单体中重复存在甲基侧链(-CH 3 )，使其极耐降解。未经任何处理的聚丙烯由于其结构阻碍微生物在聚丙烯表面附着，所以往往更难进行生物降解。在进行微生物降解前，往往会进行预处理。目前研究所用的预处理方法包括向聚丙烯中加入共混物、热处理、紫外线处理、加入助氧化剂等减少聚丙烯的疏水性。 3.1. 聚丙烯降解菌筛选 最早对聚丙烯生物降解菌进行研究的是Cacciari，他运用含淀粉的聚乙烯富集培养基，从土壤样品中筛选到4个能够在此培养基上生长的微生物群落。将微生物群落孵育175天后，用二氯甲烷萃取降解产物，萃取物的重量为初始萃取重量的40%，但是其中仅有10%的萃取物为碳氢化合物(C 10 H 22 至C 31 H 64 )，其余90%为芳香族酯(聚丙烯中所添加增塑剂的降解产物)。结果表明，该微生物群落可能少量降解聚丙烯(降解产物为碳氢化合物) [ 8 ]。 Cheng等在研究高密度聚乙烯和聚丙烯塑料对土壤和威廉腔环蚓(Metaphire guillelmi)肠道菌群的影响时，发现聚丙烯微塑料暴露在土壤中28天后，气单胞菌科(Aeromonadaceae)和假单胞菌科(Pseudomonadaceae)的相对丰度显著增加，亚硝基球菌科(Nitrososphaeraceae)和两个与变形杆菌(Proteobacteria)有关的菌种相对丰度则显着下降。此发现为筛选高效降解聚丙烯的微生物提供了方向 [ 9 ]。 3.2. 聚丙烯材料预处理方法探索 Arkatkar等分别将未进行预处理与80℃下热处理10天的0.05 mm厚度的聚丙烯薄膜与土壤微生物共培养12个月。结果表明，热处理后的聚丙烯质量减少10.7%，未进行预处理的聚丙烯质量仅减少0.4%。在共培养12个月后，从培养基中分离出单一菌落，经鉴定为弯曲芽孢杆菌(Bacillus flexus) [ 10 ]。为进一步探究不同菌种对聚丙烯的降解能力，Arkatkar等人分别对0.05 mm厚度的聚丙烯薄膜进行王水(Aquaregia)预处理3天、Fenton试剂预处理7天、100℃烘箱热处理8天、225 nm紫外照射6天，再分别与固氮假单胞菌(Pseudomonas azotoformans)、施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和弯曲芽孢杆菌(B. flexus)共培养。结果表明，固氮假单胞菌和枯草芽孢杆菌疏水性更好，能够在聚丙烯表面产生生物表面活性剂，并形成生物膜，对聚丙烯具有更好的降解性。并且，仅在进行预处理的聚丙烯中观察到生物氧化，未进行预处理的聚丙烯仅发生非生物氧化。紫外线预处理后与弯曲芽孢杆菌共培养的聚丙烯降解率最高，达到2.5% [ 11 ]。 在Arkatkar研究的基础上，Jeyakumar等人详细地探究了各种不同预处理方法对聚丙烯生物降解率的影响。他们创新性地选取了两种真菌作为实验材料，分别是Phanerochaete chrysosporium NCIM 1170，Engyodontium album MTP091。实验所用聚丙烯按照不同样品组合分为纯聚丙烯[PP]，淀粉聚丙烯共混物[ST-PP]，金属离子聚丙烯共混物[MI-PP]，并对不同组合分别进行紫外线照射10天、100℃热处理10天。样品与真菌共同培养12个月后，检测聚丙烯失重量。结果发现，预处理样品的重量损失均高于未处理的聚丙烯，紫外线处理的[MI-PP]降解率为18.8% (E. album)和9.42% (P. chrysosporium)。并且，加入金属离子助氧化剂的聚丙烯降解量更高，其次是加入淀粉的聚丙烯，降解率最低的为未加任何组分的纯聚丙烯。聚丙烯金属离子共混物与淀粉共混物的降解方式存在显著差异。加入金属离子后，金属离子在聚丙烯表面产生自由基，并与氧反应生成羰基，而加入的淀粉直接氧化聚丙烯，从而导致氧的插入形成羰基。氧化后的聚丙烯疏水性降低，有助于微生物粘附在聚合物上，从而更易被降解 [ 12 ]。 3.3. 提高聚丙烯生物降解率的方法探索 在前期对不同菌种降解聚丙烯材料能力测定的基础上 [ 11 ]，Arkatkar又联合Aravinthan等人，选取了对聚丙烯降解能力较强的菌种，并设计了两种不同的微生物组合，弯曲芽孢杆菌 + 固氮假单胞菌(B. flexus + P. azotoformans， B1)和弯曲芽孢杆菌 + 枯草芽孢杆菌(B. flexus + B. subtilis， B2)，分别与紫外线处理与热处理的聚丙烯共培养12个月。结果表明，B1组合菌对紫外线预处理后的聚丙烯降解率最高，达到22.7% [ 13 ]。Arkatkar团队在筛选聚丙烯降解菌的过程中做出了显著贡献，并采用混合菌降解的思路以进一步提高降解量，为进一步筛选降解菌落打下了基础。 Jeon等利用以低分子量聚丙烯为碳源的培养基从土壤中分离出了嗜温聚丙烯降解菌，并鉴定其为嗜麦芽窄食单胞菌(Sanotrophomonas panacihumi PA3-2)。为研究真实的聚丙烯生物降解量，Jeon未对聚丙烯进行任何预处理。常温放置90天后，S. panacihumi PA3-2对LMWPP-1 (Mn: 2 800， Mw: 10 300)降解率为20.3% ± 1.39%，对LMWPP-2 (Mn: 3 600， Mw: 19 700)的降解率为16.6% ± 1.70% (Mn为数均分子量，Mw为重均分子量)。结果表明，聚丙烯分子量越高，生物降解率越低 [ 14 ]。此发现为提高聚丙烯降解率提供了新的思路，通过前期预处理使聚丙烯聚合度降低或许能够加速聚丙烯的生物降解过程。 Skariyachan等人对奶牛喂食了塑料废物，并在24小时后采集牛粪样品，从中分离出23株对塑料适应性强的菌株，并将分离后的菌株组合成10种不同的混合菌群。所有组合中降解塑料能力最强的CB3组合(分离株IS1， IS2， IS3)在160天的时间内，对低密度聚乙烯、聚丙烯的降解率为64.25% ± 2%和63% ± 2%。进一步地，Skariyachan对三株分离株进行鉴定，结果显示其分别为肠杆菌、阴沟肠杆菌、铜绿假单胞菌(Enterobacter sp. nov. btDSCE-01， Enterobacter cloacae nov. btDSCE-02， Pseudomonas aeruginosa nov. btDSCE-CD03) [ 15 ]。 3.4. 聚丙烯生物降解过程探究 Auta等从马来西亚半岛的红树林沉积物中分离出八种细菌，最终筛选出芽孢杆菌Bacillus gottheilii，其在40天内对经紫外线预处理的聚丙烯微塑料的降解率为3.6% [ 16 ]。在进一步研究中，他们又从红树林地区沉积物中分离出红球菌属与芽孢杆菌属细菌各一株(Rhodococcus sp. strain 36， Bacillus sp. strain 27)，与紫外线预处理的聚丙烯微塑料共培养40天后，发现红球菌造成聚丙烯失重6.4%，芽孢杆菌造成失重4.0%。该研究还测定了菌株对聚丙烯微塑料的吸收速率与半衰期(降解一半质量聚丙烯所用时间)，结果发现红球菌具有更高的吸收速率(0.002 K/天)和更短的半衰期(346.5天)，芽孢杆菌的吸收速率为0.001 K/天，半衰期为693天。为验证结论的准确性，他们对聚丙烯微塑料进行了扫描电子显微镜分析(Scanning electron microscopy analysis， SEM)、傅里叶变换红外光谱(Fourier-transform infrared spectroscopy， FTIR)分析，从形态、结构、化学变化等方面验证了聚丙烯降解是由微生物引发的 [ 17 ]。 Potrykus等为验证城市垃圾填埋场中发生的聚丙烯生物降解过程，从废弃填埋场中收集了一个塑料样品，并将其鉴定为已丢弃5年的面包包装。随后，他们对该样品进行了FTIR分析、DSC分析(Differential Scanning calorimeter)、扫描电镜分析、荧光显微镜分析，验证了该样品在填埋5年后仍然存在生物降解。随后，他们对该聚丙烯样品表面菌群进行了鉴定，分别采集无菌水洗过后的样品与未清洗的样品表面微生物，发现清洗后样品表面的微生物种类与数量均少于未清洗，且聚丙烯表面存在微生物附着 [ 18 ]。但是Potrykus并未对附着的微生物菌群种类和该样品此时的降解速率进行定性与定量分析，在今后的研究中着力于已被证实的自然界中聚丙烯生物降解过程，或许对提高降解率会有所帮助。 Habib等从南极土壤中分离出能在富含柴油的培养基上生长的假单胞菌(Pseudomonas sp. ADL15)和红球菌(Rhodococcus sp. ADL36)，将两种菌株与聚丙烯共同孵育40天后，通过检测聚丙烯失重的百分比，定量测定了两种南极菌株对未经处理的聚丙烯微塑料的利用率。结果表明，ADL15菌株处理的聚丙烯质量减轻17.3%，ADL36处理的聚丙烯质量减轻7.3% [ 19 ]。由于假单胞菌属能够形成具有相对高的疏水性的生物膜，并且能够分泌有助于结合聚丙烯的胞外多糖，使其在聚丙烯表面具有较强的附着能力。并且其能够分泌众多催化酶，还具有适应降解聚丙烯等塑料的代谢机制 [ 20 ]，ADL15菌株对聚丙烯具有较高的降解率。此外，该研究发现ADL36菌株能够在添加少量聚丙烯的培养基中大量繁殖，是一种良好的聚丙烯定殖细菌。 Oliveira等人将黑曲霉(Aspergillus niger)和宛氏拟青霉(Paecilomyces variotii)构成的混合菌株分别与经过压缩处理的纯聚丙烯和聚丙烯/PBAT/热塑性淀粉共混物进行培养，30天后测定样品失重率(PBAT：聚对苯二甲酸–己二酸丁二醇酯)。结果显示，纯的聚丙烯材料失重率−0.62%，聚丙烯/PBAT/热塑性淀粉共混物失重率2.32%。纯聚丙烯质量的增加可能是因为在样品表面形成生物膜的初始阶段，霉菌的孢子、菌丝、以及分泌物等粘附在聚丙烯表面，并且此时生物降解量较低。此外，Oliveira等人还研究了挤压处理对聚丙烯生物降解的影响，结果表明，挤压循环次数对聚丙烯降解并无显著影响 [ 21 ]。