劉 昀 賀 媛 白聰艷 王若翰 雷 淼 柴浩東

（西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

塑料地膜的生產(chǎn)原料主要是石油提煉物，其成分通常以聚乙烯為主。聚乙烯（Polyethylene，PE），基本結(jié)構(gòu)為-[CH2-CH2]n-，是1種線性飽和碳?xì)浠衔铮Y(jié)構(gòu)上和石蠟、長(zhǎng)鏈烷烴相似，屬于高分子量烷烴，是1種十分穩(wěn)定的聚合物。聚乙烯是我國(guó)合成樹(shù)脂中進(jìn)口量最多、產(chǎn)能最大的品種，五大合成樹(shù)脂之一。聚乙烯主要分為高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、線性低密度聚乙烯（LLDPE）3類[1]。此外，聚乙烯屬于烷烴惰性聚合物，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，且疏水性能良好，不容易被酶和微生物降解。在自然條件下，普通的聚乙烯地膜降解過(guò)程十分漫長(zhǎng)，至少需要百年時(shí)間。

1 聚乙烯地膜的特點(diǎn)

低密度聚乙烯（LDPE）地膜最常用于蔬菜生產(chǎn)，該種地膜透光性好，提高地溫，易與土壤黏結(jié)，適用于北方；高密度聚乙烯（HDPE）地膜，可以用于玉米、小麥、棉花等農(nóng)作物，該種地膜光滑，強(qiáng)度高，柔軟性差，不易黏著土壤，不適合覆蓋沙土地，其增溫保水效果與LDPE地膜基本相同，但是透明性和耐候性略差。線性低密度聚乙烯（LLDPE）地膜，可以用于蔬菜、棉花等作物，除了具有LDPE地膜的特性外，機(jī)械性能良好，伸長(zhǎng)率提高了50%以上，穿刺強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度均較高，其透明性、耐候性都好，但是易粘連。

2 地膜使用情況及優(yōu)勢(shì)

土壤表面覆蓋地膜，可以提高土壤溫度，減少了土壤水分流失，促進(jìn)作物對(duì)水分的吸收和生長(zhǎng)發(fā)育，維持土壤結(jié)構(gòu)，利于肥料的腐熟和分解，提高土地肥力，防止害蟲(chóng)啃食作物以及引起某些微生物導(dǎo)致的病害等，地膜覆蓋成本低、使用方便、增產(chǎn)幅度大，是1項(xiàng)既能防止水土流失，又能提髙作物產(chǎn)量的常用措施。我國(guó)大部分地區(qū)都已普及和應(yīng)用地膜，在西北、華北、東北主要旱作地區(qū)已經(jīng)成為1種突出的增產(chǎn)節(jié)水措施，現(xiàn)今使用范圍已從北方半干旱和干旱區(qū)域逐步擴(kuò)展到南方的高山、低溫地區(qū)，覆蓋農(nóng)作物類型也逐漸增加，由經(jīng)濟(jì)作物擴(kuò)展到大宗糧食作物，而且可以在1 a之中的任何時(shí)候使用，土壤被預(yù)熱過(guò)的晚春時(shí)節(jié)是最佳的使用時(shí)間。地膜主要用于小麥、玉米、棉花、花生、馬鈴薯、甜菜、瓜果、煙、藥、麻和茶等40多種不同農(nóng)作物，可以使作物產(chǎn)量普遍增加了30%～50%，增值40%～60%[2]。地膜的覆蓋不僅使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平有了很大的飛躍，而且加快推動(dòng)了農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代化進(jìn)程。因此將地膜這種具有提升土壤溫度、增肥保濕、提高土壤水分利用率、減少耕層鹽分和防治病蟲(chóng)害等作用的新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，譽(yù)為“農(nóng)業(yè)的第二次革命”。

3 地膜污染情況

農(nóng)田中殘膜污染給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中造成了巨大的影響，我國(guó)地膜殘留污染量大且面積廣，所有地膜覆蓋后的農(nóng)田土壤中均有不同程度的膜殘留污染；地膜殘留量如果達(dá)到0.006 kg/m2以上，就可以使農(nóng)作物減產(chǎn)10%以上。土壤耕層中大量地膜殘留，水肥運(yùn)移受阻、土壤結(jié)構(gòu)惡化、種子發(fā)芽和作物根系生長(zhǎng)受到影響、農(nóng)機(jī)部件損壞，籽棉中混入殘膜導(dǎo)致棉花品質(zhì)降低，而混入飼料動(dòng)物誤食將導(dǎo)致死亡；早期我國(guó)推廣地膜覆蓋種植技術(shù)時(shí)，地膜厚度在0.012 mm～0.014 mm，隨著工業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展進(jìn)步，農(nóng)民為了減少生產(chǎn)成本、制造商為追求經(jīng)濟(jì)利益，農(nóng)用地膜就被制造得越來(lái)越薄，甚至個(gè)別地區(qū)的地膜厚度小于0.005 mm。地膜變薄、加速老化，秋收時(shí)破損程度嚴(yán)重，強(qiáng)度變差，難以實(shí)現(xiàn)人工回收，機(jī)械回收難度大、回收率低，農(nóng)田殘膜量大[3]。如果通過(guò)焚燒處理廢舊地膜，在焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵、刺鼻氣味是最直接的環(huán)境污染物；焚燒殘?jiān)形廴疚镔|(zhì)富集，如果處理不當(dāng)，對(duì)環(huán)境的危害程度相當(dāng)大；焚燒過(guò)程會(huì)向大氣釋放大量溫室氣體，加劇居住環(huán)境的惡化。

4 土壤微生物種類及特性

土壤中微生物含量豐富，土壤越肥沃，微生物數(shù)量和種類越多，土壤微生物是指土壤中一切肉眼可發(fā)現(xiàn)或難以發(fā)現(xiàn)的微小生物的總稱，包括細(xì)菌、真菌、古菌、病毒、放線菌、藻類和原生動(dòng)物，其個(gè)體微小，一般以微米或毫微米計(jì)算。大約1 g土壤中有106～109個(gè)微生物，其數(shù)量和種類隨著土壤環(huán)境及其土層深度的改變發(fā)生變化[4]，它們可以促進(jìn)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)的分解。土壤中各種微生物的種類及特點(diǎn)見(jiàn)表1，細(xì)菌的生存條件為中性及微酸性，一般分為2類，一類是自養(yǎng)菌，有同化CO2的能力，可以直接影響土壤的理化性質(zhì)，平衡土壤的酸堿度；另一類是異養(yǎng)菌，通常都是以和作物共生的狀態(tài)存在，可直接促進(jìn)作物的生長(zhǎng)。放線菌和霉菌主要分解土壤中的纖維素、木質(zhì)素和果膠類物質(zhì)，以此改善土壤的養(yǎng)分狀況，以便于作物直接吸收利用土壤養(yǎng)分。真菌以孢子和菌絲分布于土壤中，分為寄生、腐生和共生3種類型。古菌與細(xì)菌的功能類似，參與土壤有機(jī)物的轉(zhuǎn)化。藻類通常為絲狀的微生物，與高等植物一樣含有葉綠素，可以固定空氣中氮素營(yíng)養(yǎng)，幫助植物利用以各種狀態(tài)存在的氮素養(yǎng)分。土壤是微生物的“天然培養(yǎng)基”，也是它們的“大本營(yíng)”，對(duì)人類來(lái)說(shuō)是最豐富的菌種資源庫(kù)。在土壤中篩選可降解聚乙烯地膜的菌株，其來(lái)源廣泛，有利于減少殘留地膜對(duì)土壤造成的損傷，充分發(fā)揮土壤微生物的積極作用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

表1 土壤微生物的種類及特點(diǎn)

5 聚乙烯地膜降解及特點(diǎn)

“降解”是指：1） 高分子化合物的大分子分解成較小的分子。2）有機(jī)化合物分子中的碳原子數(shù)目減少，分子量降低[5]。聚乙烯的降解可以大致分為兩類非生物降解和生物降解，前者為溫度、紫外線照射等外界因素引起的降解，后者是因微生物作用引起的生物降解，這些微生物修飾和消耗聚合物，導(dǎo)致聚合物性能的改變。聚乙烯地膜降解指聚乙烯高分子鏈在微生物的作用下，使C-C鍵斷裂，進(jìn)而造成分子鏈上的碳原子數(shù)目減少、聚合度降低、相對(duì)分子質(zhì)量降低，小型結(jié)晶區(qū)域和非結(jié)晶區(qū)域解聚成親水性低聚物或小分子，最終完全分解為H2O、CO2、CH4、生物質(zhì)等各種微生物代謝產(chǎn)物的過(guò)程。聚乙烯是由成千上萬(wàn)個(gè)乙烯小分子均聚或與少量α-烯烴共聚而成的線性高分子化合物，其降解特性受分子鏈結(jié)構(gòu)、重復(fù)單元、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)3個(gè)結(jié)構(gòu)層次的共同影響，主要包括分子鏈長(zhǎng)度、分子鍵強(qiáng)度、分子結(jié)晶度、分子親/疏水性等方面[6]。聚乙烯地膜的自身結(jié)構(gòu)與環(huán)境因素共同影響了降解速度。聚乙烯分子鏈缺乏被微生物酶系統(tǒng)所利用的官能團(tuán)，難以與化學(xué)、生物物質(zhì)直接接觸或進(jìn)入微生物體內(nèi)分解代謝；此外，組成聚乙烯分子的C-C共價(jià)鍵鍵能強(qiáng)度大，理化性能穩(wěn)定，需要較高的能量或作用力才可以發(fā)生分子鍵斷裂；這些因素導(dǎo)致聚乙烯分子降解過(guò)程緩慢，甚至難以降解[7]。

6 可降解聚乙烯材料的微生物

目前已發(fā)現(xiàn)的可降解聚乙烯材料的微生物主要有細(xì)菌和真菌，其中真菌又以霉菌為主，多為曲霉屬真菌。據(jù)報(bào)道，以下真菌能生長(zhǎng)在經(jīng)UV處理過(guò)的線性低密度聚乙烯地膜：黑曲霉（Aspergillus niger）、瘤孢棒囊孢殼（Corynascus sepedonium）、鐮刀菌屬（Fusarium sp.）、毛殼菌屬（Chaetomium sp.）、葡萄穗霉屬（Stachybotrys sp.）、擬青霉（Paecilomyces variotti）、鐮孢菌（Fusarium solani）、木霉屬（Trichoderma sp.）等；煙曲霉菌（Aspergillus fumigatus）、土曲霉（A. terreus）能降解線性低密度聚乙烯薄膜；降解聚酯類薄膜可使用賓曲霉（Aspergillus tubingensis）；其他真菌如尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）、簡(jiǎn)青霉（Penicillium simplicissimum YK）等，能降解的聚乙烯數(shù)均分子量范圍從幾百到幾萬(wàn)不等。細(xì)菌類降解菌，解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）能夠降解線性低密度聚乙烯薄膜；能夠降解聚乙烯數(shù)均分子量范圍從幾百到幾千的有假單胞菌（Pseudomonas.spp）、奈瑟氏球菌科（Neisseriaceae）、蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus）、醋酸鈣不動(dòng)桿菌（Acinetobacter calcoaceticus）、玫瑰紅紅球菌（Rhodococcus rhodochrous）等；Ideonella sakaiensis 能完全降解聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）[1]。真菌如青霉（Penicillum sp.）、曲霉（Aspergillus niger）、木霉（Trichoderma sp.）其分屬于3個(gè)不同屬；細(xì)菌如乳酸鏈球菌（Streptococcus lactis）、微球菌（Micrococcus sp.）、普通變形桿菌（Proteus vulgaris）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、假單胞菌（Pseudomonas sp.）、腸桿菌（Enterobacter asburiae）、芽孢桿菌（Bacillus subtilis），分別屬于7個(gè)不同屬[7]，但是能夠降解高分子量聚乙烯的降解菌目前很少發(fā)現(xiàn)。

7 土壤中篩選PE降解微生物

目前常見(jiàn)的在土壤中篩選可降解PE微生物方法：1） 選取微生物含量豐富的土壤，稱量一定質(zhì)量的土壤，制備土壤稀釋液。土壤可以分為砂質(zhì)土、黏質(zhì)土和壤土3類。砂質(zhì)土的性質(zhì)為含沙量多，顆粒粗糙，滲水速度快，保水性能差，通氣性能好。黏質(zhì)土的性質(zhì)為含沙量少，顆粒細(xì)膩，滲水速度慢，保水性能好，通氣性能差。壤土的性質(zhì)：含沙量一般，顆粒一般，滲水速度一般，保水性能一般，通氣性能一般。土壤一般選用黏土或者農(nóng)用地膜覆蓋的農(nóng)田；黏土結(jié)構(gòu)緊密，固水，保肥力強(qiáng)，養(yǎng)分較豐富，有機(jī)質(zhì)分解慢，腐殖質(zhì)易積累，有良好的厭氧發(fā)酵條件[8]。2） 聚乙烯樣品預(yù)處理。將樣品放在無(wú)菌操作臺(tái)上，紫外滅菌2 h。3） 配制無(wú)碳基質(zhì)培養(yǎng)基（見(jiàn)表 2），將聚乙烯樣品添加至培養(yǎng)基，然后接種土壤稀釋液，150 r/min 35 ℃的搖床培養(yǎng)，逐日觀察，培養(yǎng)基是否渾濁，發(fā)現(xiàn)渾濁即將菌株進(jìn)行富集和分離純化，轉(zhuǎn)移培養(yǎng)液至新鮮培養(yǎng)基中繼續(xù)培養(yǎng)，得到以聚乙烯為唯一碳源的菌株；同時(shí)設(shè)置不含聚乙烯樣品的對(duì)照組。

表2 無(wú)碳基質(zhì)培養(yǎng)基配方

無(wú)碳基質(zhì)培養(yǎng)基是不含碳源的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基，篩選聚乙烯降解菌的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基組成常為磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、硝酸氨、氯化鈉、硫酸亞鐵、硫酸鋅和硫酸錳。其中無(wú)機(jī)鹽的作用如下：1） NaCl平衡滲透壓，在培養(yǎng)基中起調(diào)節(jié)滲透壓的作用。2） MgSO4，Mg2+是EMP、TCA途徑及賴氨酸產(chǎn)生的重要霉激活劑。3） 磷酸鹽，磷元素不僅是蛋白質(zhì)、核酸的組成部分，而且是ADP 、ATP的組成部分，提供能量；磷也是細(xì)胞膜的組成部分，在培養(yǎng)基中起緩沖作用。4） FeSO4，組成細(xì)胞色素、細(xì)胞色素氧化酶和過(guò)氧化氫酶的活性基團(tuán)。

8 檢驗(yàn)降解菌對(duì)聚乙烯的降解效果

8.1 通過(guò)聚乙烯粉末觀察菌株降解情況

首先對(duì)液體無(wú)碳培養(yǎng)基、聚乙烯粉末進(jìn)行滅菌處理，然后將菌株接種到含不同分子量聚乙烯粉末的無(wú)碳培養(yǎng)基中，設(shè)置對(duì)照組，聚乙烯作為唯一的碳源在35 ℃、150 r/min條件下?lián)u床培養(yǎng)，觀察菌株的生長(zhǎng)情況和聚乙烯粉末的變化情況，定期收集搖瓶?jī)?nèi)聚乙烯粉末含量，計(jì)算聚乙烯粉末的失重率，失重率按公式（1）計(jì)算，定期通過(guò)掃描電鏡觀察菌株的變化，如菌株對(duì)聚乙烯粉末的覆蓋情況。

8.2 通過(guò)聚乙烯薄膜觀察菌株降解情況

首先聚乙烯薄膜進(jìn)行無(wú)菌處理并裁剪成小片，放入無(wú)碳基質(zhì)培養(yǎng)基中接種菌株，設(shè)置對(duì)照組，在35 ℃、150 r/min的條件下?lián)u床培養(yǎng)，培養(yǎng)一段時(shí)間后，取出膜片進(jìn)行如下處理：洗滌樣品，利用0.01 mol/L磷酸鹽緩沖液（pH 7.2）清洗，重復(fù)2次，以除去表面未粘附菌，然后用多聚甲醛（4%）處理8 h，乙醇（50%）處理2次，每次0.5 h，使用70%、80%、90%、95% 乙醇處理1 h，100%乙醇處理2 h，樣品自然干燥后，鍍鉻，利用掃描電鏡觀察膜表面細(xì)菌侵蝕和生長(zhǎng)情況[9]。

9 結(jié)語(yǔ)

該文主要根據(jù)聚乙烯地膜的理化特性和分子結(jié)構(gòu)以及使用環(huán)境，系統(tǒng)說(shuō)明了土壤中微生物對(duì)聚乙烯地膜的降解機(jī)理、發(fā)展前景和常見(jiàn)的篩菌方法。土壤中所含有的豐富微生物為降解聚乙烯地膜提供了新的方向，也拓寬了研究領(lǐng)域，對(duì)白色污染的治理將有重要的影響。但是，目前降解菌株的降解效率較為低下，大規(guī)模地使用土壤降解菌株處理聚乙烯地膜還要有很長(zhǎng)一段路要走。檢驗(yàn)土壤中微生物對(duì)聚乙烯地膜降解效果的方法目前主要是通過(guò)掃描電鏡觀察地膜的變化情況，如膜表面的破損粗糙及孔洞，因此檢測(cè)方法較為單一。此外，當(dāng)前研究的聚乙烯地膜通常為市場(chǎng)銷售的成品，因?yàn)槭褂眯枰谏a(chǎn)過(guò)程中添加了各種有機(jī)添加劑，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法確定菌株生長(zhǎng)時(shí)實(shí)際利用的碳源是否來(lái)自聚乙烯塑料本身還是其他添加劑，而使用聚乙烯粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算失重率誤差過(guò)大，或利用掃描電鏡觀察現(xiàn)象，所以尋找更多的檢測(cè)手段和易于發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)研究菌株的降解效果很重要。