1. 引言
鉴于传统塑料的生产需求量庞大且处理结果不理想等情况，国际上普遍呼吁开发可生物降解的塑料来替代传统塑料，以此实现从源头上解决塑料污染问题的期望。因此，针对生物降解塑料的降解过程、机理及效率的研究具有非常重大的意义。
生物降解塑料(Biodegradable plastic)是可降解塑料的一种，美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials, ASTM)在国际标准化组织(International Organization for Standardization, ISO)在“降解”(Degradation)定义的基础上，对生物降解塑料解释为：可在细菌、霉菌、藻类等自然界微生物作用下降解的降解性塑料。根据降解程度的不同，生物降解塑料可分为完全生物降解塑料和不完全生物降解塑料(生物破坏性塑料)。与传统塑料相比，生物降解塑料具有生物降解性和生物相容性等优点，具有广阔的开发与发展前景。
为便于研究者能快速了解近年来生物降解塑料的研究情况，本文从几类生物可降解塑料对应的种类及其降解菌种出发整理了相关研究进展，包括：聚α-羟基酸类塑料、二元酸二元醇共聚酯类塑料、聚羟基烷酸酯类塑料及淀粉基类塑料等。
2. 现有可降解塑料的种类
常用的生物降解塑料主要可分为聚α-羟基酸类、二元酸二元醇共聚酯类、聚羟基烷酸酯类及淀粉基类四大类。聚α-羟基酸类主要包含聚乳酸(polylactic acid, PLA)、聚乙醇酸类(polyglycolic acid, PGA)等；二元酸二元醇共聚酯类主要包含聚二元醇–二元酸类(poly(butylene succinate), PBS)和聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯类(Poly(butylene terephthalate adipate), PBAT)；聚羟基烷酸酯类(polyhydroxyalkanoates, PHA)中发展较好的是聚羟基丁酸酯塑料(poly-β-hydroxybutyrate, PHB)及聚羟基丁酸戊酸酯(Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate), PHBV)；而成功实现产业化生产和应用的淀粉基塑料则是由淀粉经过改性塑化生产。
目前处理可降解塑料的方式有工业堆肥、家庭堆肥、厌氧消化、焚烧等，而微生物降解塑料在实用性、降解性、效率性等方面都具有优势。相比其他，微生物降解塑料能在自然适宜的环境下较快降解塑料，从根本上解决废旧塑料的污染问题。
在可降解塑料的应用市场中，光降解塑料、光和生物降解塑料由于技术不成熟、成本高等因素导致产品类型较少，故常见的可降解塑料主要为生物降解塑料。从世界范围看，生物降解塑料中，正在开发的聚羟基丁酸酯塑料(poly-β-hydroxybutyrate, PHB)及聚羟基丁酸戊酸酯(Poly(3-hy-droxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate), PHBV)是公认的最有希望的生物降解塑料之一。接下来，我们将根据生物降解塑料化学结构和性能的不同分类综述各类塑料的微生物降解研究情况。
3. 聚α-羟基酸类塑料的微生物降解
聚α-羟基酸(poly(α-hydroxy acid))是一类具有良好可降解性和生物相容性的高分子，主要包括聚乳酸类(polylactic acid, PLA)、聚乙醇酸类(polyglycolic acid, PGA)等。它可以在锌催化剂的催化下高效醇解为相应的甲酯，再经过与LiOH反应后即可回到α-羟基酸(合成单体五元环O-内酸酐酯(OCAs)的原料)，从而实现塑料的闭环回收。
降解聚乳酸(PLA)的微生物
除聚乳酸(polylactic acid, PLA)，单体为乳酸 (Lactic acid, LA)，属于生物可降解脂肪族聚酯(图1)。其由于良好的机械性能、耐热性及对环境污染小，被认为是最有希望的材料。PLA在自然界中被完全降解需要一定的时间，为提高其降解效率，研究者针对PLA 的生物降解过程展开大量研究。目前从环境中分离出降解PLA的微生物大多为细菌，如淀粉菌，放线菌等。
Figure 1. Chemical structural formula of PLA
图1. PLA的化学结构式
2013年，林娟 [1] 等从垃圾填埋场的土壤中筛选出降解PLA的菌株Lentzea waywayandensis，于30℃条件下优化培养25天降解率可达84.80%，该菌种的解聚酶可断裂PLA分子的酯键从而产生寡聚体、二聚体和单体等，降解产物可通过半透性细菌膜，作为碳源和能源被利用后可分解成CO2和H2O。Titiporn Panyachanakul [2] 等人在研究PLA生物降解的过程中发现，降解的过程中会产生乳酸，抑制了PLA的生物降解过程，通过将乳酸分离出反应体系，于60℃、PH 8条件下优化培养Actinomadura keratinilytica strain T16-1菌株，可将其对PLA的降解率提高至约89%。2018年，Tiparporn Bubpachat [3] 等从土壤和废水污泥中分离出菌株Stenotrophomonas pavaniiCH1和Pseudomonas geniculataWS3，以PLA作底物可刺激两菌种产生蛋白酶与PLA降解酶，PLA降解酶可作为水解酶吸附在PLA表面，进而裂解其酯键来产生低聚物和乳酸单体。实验结果表明在最适条件下，Stenotrophomonas pavaniiCH1 (30℃，PH 7.5)降解能力优于Pseudomonas geniculataWS3 (30℃，PH 8)。表1总结了近年来发现的可降解PLA的菌株、降解条件及其降解率。
Table 1. Microorganisms with the ability to degrade PLA plastics
表1. 具有PLA塑料降解能力的微生物
4. 二元酸二元醇共聚酯类塑料的微生物降解
共聚酯是由两种或两种以上不同的二元羧酸或酸酐与二元醇单体通过共缩聚而制得的共聚物。脂肪族二元酸与二元醇共聚酯是一类可完全生物降解的高分子材料，该类主要包括聚二元醇–二元酸类(Poly(butylene succinate), PBS)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(Poly(butylene terephthalate adipate), PBAT)等。PBS受其自身性能限制，市场用量不及PBAT，故目前全球生产都以PBAT为主。
4.1. 降解聚二元醇–二元酸类塑料(PBS)的微生物
聚二元醇–二元酸类(Poly(butylene succinate), PBS)，属于热塑性全生物降解塑料，是用丁二醇和丁二酸合成的聚酯加工而成的一种新型塑料(图2)。其在正常储存和使用过程中性能非常稳定，只有在堆肥、水体等接触特定微生物的条件下才发生降解，埋入土壤经过3个月可实现完全降解。
Figure 2. Chemical structural formula of PBS
图2. PBS的化学结构式
国内外在近年来针对PBS降解菌展开一系列的研究，并陆续取得一些成果，已见报道的PBS降解微生物有Aspergullus versicolor和Penicillum sp.等菌种，表2总结了近年来发现可降解PBS主要菌株的降解条件及降解率。
2008年，孙琪团队 [4] 从土壤中筛选分离得到菌株Alernaria sp.HJ03，鉴定为链格泡属真菌，在25℃、pH4.0的条件下对PBS薄膜降解18 d降解率可达87.95%。2011年，李凡等 [5] 通过土壤筛选和诱变得到真菌Aspergillus versicolor DS0503-a，pH 5.5、28℃为其产酶最适条件，降解率在24天后达到4.5%且依旧呈现上升趋垫。后续又通过混合培养DS0401与DS0601菌株证明混菌条件有利于PBS的降解，且验证得出Aspergillus versicolor菌株是堆肥条件下降解PBS最有效的菌株。2012年，王蕾团队 [6] 筛选出能降解PBS的真菌菌种PBSZ2#菌和PBSZ5#菌，研究得出，降解PBS的初始阶段真菌处于生长期，菌丝附着在PBS膜表面并侵入内部造成聚合物薄膜的崩裂；降解加速阶段中菌生长代谢加快，并产生一定量的脂肪酶作用于 PBS酯键，此时PBS膜会在菌产脂肪酶的作用下降解，小分子降解产物脱离出聚合物主体；由于最后阶段降解主要发生在非晶区，故降解速率会减慢。2020年，Urbanek，Aneta K.等 [7] 发现南极微生物群中发现多种具有生物降解活性的细菌菌株，且部分可降解多种类型的生物塑料，例如A-1短小芽孢杆菌，淀粉样芽孢杆菌TB-13，放线菌属TF1，链霉菌属APL3，Laceyella sp.TP4和烟曲霉NKCM1706等，其对PCL、PBSA和 PBS等塑料均具有降解活性。
Table 2. Microorganisms with the ability to degrade PBS plastics
表2. 具有PBS塑料降解能力的微生物
4.2. 降解聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯塑料(PBAT)的微生物
聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(Poly(butylene terephthalate adipate), PBAT)，属于热塑性生物降解塑料，是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(图3)。其有较好的延展性、断裂伸长率，及优良的生物降解性，是生物降解塑料研究和市场应用最好的降解材料之一。
Figure 3. Chemical structural formula of PBAT
图3. PBAT的化学结构式
2009年，Kasuya等 [8] 从土壤中分离出可降解PBAT的5种菌株，研究发现降解过程中NKCM1712等菌株可通过分泌PBAT水解酶与PBAT表面结合，水解切断PBAT表面的高分子链，生成小分子化合物，从而实现降解。2017年，天津工业生物技术研究所 [9] 研究发现了一种能够高效降解PBAT塑料地膜的微生物菌群SX，实验证明SX菌群经过驯化后可以实现13天内对PBAT塑料地膜降解效率达到99%以上。
2018年，Aarthy等 [10] 报道了隐球酵母菌(Cryptococcus)在25℃下经过216 h可实现对PBAT的完全降解，该菌可产生脂肪酶对酯键进行水解。2019年张敏等 [11] 利用LB培养基筛选出可降解PBAT的寡养单胞菌Stenotrophomonas sp. strain YCJ1，其在偏碱性环境中对PBAT的平均降解率能达到11.6%，且可分泌出脂肪酶攻击PBAT的酯键，使高分子断裂成小分子链。2020年，林雁冰、刘佳茜等人先后发现N3-2菌种 [12] 和N1-2菌种 [13] 可通过降低膜片疏水性和塑料表面引入极性官能团的方式提高PBAT塑料膜的菌株附着率来破坏膜结构，并分别使PBAT地膜失重率达到6.538% ± 0.086%和6.489% ± 0.006%。表3中总结了近年来发现的可降解PBAT的菌株、降解条件及其降解率。
Table 3. Microorganisms with the ability to degrade PBAT plastics
表3. 具有PBAT塑料降解能力的微生物
5. 聚羟基烷酸酯类塑料的微生物降解
聚羟基烷酸酯类(polyhydroxyalkanoates, PHA)塑料是一种新型的可完全生物降解的热塑性塑料，主要包括聚-β-羟丁酸(poly-β-hydroxybutyrate, PHB)及聚羟基丁酸戊酸酯(Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate, PHBV)等。由于PHA的生物降解性及生物相容性，其在医药领域具有极为广阔的应用前景。
5.1. 降解聚-β-羟丁酸塑料(PHB)的微生物
聚-β-羟丁酸(poly-β-hydroxybutyrate, PHB)是目前通用塑料中的一种环保型的替代产品(图4)。PHB可被完全降解，降解产物对环境无毒害，且其他塑料相比降解速度更快。目前从环境中分离出的PHB降解菌大多为细菌和真菌，包括青霉菌、假单胞菌、放线菌等，不同菌种对PHB降解速率也不同。
Figure 4. Chemical structural formula of PHB
图4. PHB的化学结构式
在20世纪60年代，PHB生物降解的研究工作开始陆续展开。2002年，陈珊等 [14] 从污泥中分离出一株具有降解PHB能力的青霉菌，编号命名为DS9701，为国内PHB生物降解特性研究及应用奠定了基础。2007年，赵洪霞 [15] 在对DS9701-04菌株的研究中发现，酶降解PHB的主要产物为PHB单体或二聚体，单体进入细菌体内可被分解，此发现为重新利用化学合成方法大规模生产PHB鉴定了基础。PHB降解过程较为复杂：首先，细菌分泌胞内和胞外解聚酶开始降解PHB多聚体，PHB非晶部分开始降解后，结晶部分形成非晶过渡层，直至最终全部降解为r-3羟基丁酸单体、二聚体。该单体很小且具有水溶性，可被动运输通过细胞壁、膜，参与脂肪酸β-氧化和三羧酸循环(TCA)过程。不同条件下的产物不同，有氧条件下，生成CO2和H2O；在缺氧条件下，生成甲烷，无对环境有害物质生成。
PHB微生物降解的早期研究中，菌落主要来源于生活污泥、堆肥等。通常在高温条件下微生物降解塑料的效率更高，此符合市场的需求，且存在着巨大的经济价值，故寻找新的嗜热菌成为了研究热点。2012年，Don等 [16] 从台湾不同环境中分离出341种具有降解能力的嗜热放线菌，其中降解PHB能力最强的菌株为孟加拉链霉菌77T-4，该菌落可分泌出一种新型的PHB解聚酶，对进一步研究嗜热性链霉菌提供了基础。表4中总结了近年来发现的可降解PHB的菌株、降解条件及其降解率。
Table 4. Microorganisms with the ability to degrade PHB plastics
表4. 具有PHB塑料降解能力的微生物
5.2. 降解聚羟基丁酸戊酸酯塑料的微生物
聚羟基丁酸戊酸酯(Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate), PHBV)，是3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物(图5)，具有生物可降解、资源可再生、生物相容性等多种优良特性。自然条件下PHBV膜在土壤中的降解速率比在水中快，PHBV膜完全降解最少需要几个月的时间。目前PHBV的降解研究中，多数以青霉菌、食酸菌属、门多萨假单胞菌属等分泌的胞外解聚酶为主，但关于PHBV的胞内解聚降解相关报道不多。
Figure 5. Chemical structural formula of PHBV
图5. PHBV的化学结构式
1992年，Luzier WD [17] 在PHBV降解机理研究中发现PHBV胞外解聚酶，可使PHBV解聚并降解为3-羟基丁酸和3-羟基戊酸单体，其进入细胞内参与β-氧化和三羧酸循环代谢，有氧条件下产生CO2和H2O，厌氧条件下产生CH4。2010年，冯夫妮 [18] 等对门多萨假单胞菌FFN0701进行研究，发现PHBV膜在12~36 h失重率不高，48 h后加速，于144 h可完全降解。该团队分离并纯化门多萨假单胞菌FFN0710的胞外解聚酶，为其工业化的实行打下基础。2020年，Satti SM等 [19] 筛选出具有强降解能力的真菌Penicillium oxalicum SS2，在40℃，pH 5.0的条件下，该菌株36 h内就可使PHBV (0.3%)乳液澄清，在土壤中48h内对PHBV膜(50 mg)降解率几乎达100%，7天可完全降解，无颗粒物残留，对环境无污染。表5中总结了近年来发现的可降解PBAT的菌株、降解条件及其降解率。
Table 5. Microorganisms with the ability to degrade PHBV plastics
表5. 具有PHBV塑料降解能力的微生物
6. 淀粉基塑料的微生物降解
淀粉是一种天然高分子聚合物(图6)，其被降解后会以CO2和H2O的形式回归自然。淀粉基塑料是利用化学反应对淀粉进行化学改性，把原淀粉变成热塑性淀粉。淀粉基塑料已被广泛应用于包装材料、一次性餐具和薄膜等生活用品方面。据报道，目前对淀粉基塑料的降解研究已发现多种降解效果较佳的菌种。
2000年，R. P. Wool等 [20] 对微生物降解聚乙烯–淀粉(PE-S)复合材料进行研究，发现复合材料降解的可接近性取决于材料中的淀粉浓度、淀粉颗粒的膜内分布、分形微观结构、降解时间及微生物降解复合材料中淀粉的生物过程，植物纤维淀粉餐盒在染菌培养的情况下有更明显的降解效果。2009年，郭安福等 [21] 在模拟清洁环境下植物纤维淀粉餐盒被微生物分解的情况实验中，选择黑曲霉、土曲霉、绿色木霉、出牙短梗霉、绳状青霉于培养基中混合培养，研究发现该混合菌落可高效降解植物纤维淀粉餐盒，降解率高达41.59%，且材料的大小对菌种降解能力基本无影响。2021年，齐艳杰等 [22] 针对降解机理研究得出，生物率先通过微生物吞噬淀粉基塑料中所含的淀粉来增加塑料的比表面积，而后分泌的酶结合材料活性位点可降低聚合物强度。添加自氧化剂后其可与土壤中的金属盐类发生反应，通过切断聚合物的分子链来增加比表面积，提高断键速度，从而进一步被微生物分解。表6中总结了近年来发现的可降解淀粉基塑料的菌株、降解条件及其降解率。
Figure 6. Chemical structural formula of starch
图6. 淀粉的化学结构式
Table 6. Microorganisms with the ability to degrade starch based plastics
表6. 具有淀粉基塑料降解能力的微生物
7. 总结
本文所综述的可降解塑料及其相关微生物的主要研究概括了近20年世界各国研究者在可降解塑料及其微生物中的研究成果。各国研究者通过研究发现，筛选出在特定条件下对特定可降解塑料有较高降解率的菌种。这些研究对于未来的可降解研究来说有建设性的意义。
8. 展望
目前，我国塑料制品需求量日益增加，其处理时间长、难度大，迫切需要一种可以高效处理塑料的技术，生物可降解塑料因其在一定条件下可被快速降解并对环境友好而饱受关注。目前国内生物降解塑料仅有PLA，PPC，PBS三类的生产技术相对成熟，其余生物降解塑料还需进一步改进来顺应市场需求。生物可降解塑料种类繁多，降解环境多变，降解条件复杂，影响因素众多，不同条件下的降解率也不同。针对降解相关的研究大多停留在实验室开发阶段，无法有效研究自然状态下的降解效能。我们系统地归纳总结了生物可降解塑料在不同环境中的降解信息，期望为此后微生物降解研究的发展提供便利。
掌握大量生物可降解塑料的降解规律及特点之后，我们下一步将会探究如何在保证较高生物可降解性能的前提下对高效降解菌进行筛选、改造和培养以及不同材质的生物可降解塑料产品的研究和开发，以便于提高生物可降解塑料产品的普适性。未来我们也将重点关注生物可降解塑料的降解机理研究，采用生物强化、预处理等措施来突破其降解瓶颈，为实现生物可降解塑料的快速彻底降解找寻更多出路。
基金项目
广东省科技创新战略专项资金立项项目；项目编号：pdjh2021b0447。
参考文献
NOTES
*共同第一作者。
#共同通讯作者。