李清筱

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院,河南 鄭州,451191)

塑料已經(jīng)成為人類的必需品、易耗品,據(jù)統(tǒng)計每年產(chǎn)生2.5億t塑料垃圾,其中有60%被收集處理[1]。收集的塑料垃圾通過填埋或其他直接方式進(jìn)入環(huán)境,在自然環(huán)境中塑料垃圾經(jīng)過風(fēng)化、紫外線、機(jī)械粉碎等方式被分解成不同粒徑的塑料,包括大塑料(粒徑>2.5 cm)、中塑料(粒徑0.5～2.5 cm)、微塑料(粒徑1 μm～5 mm)和納米塑料(粒徑<1 μm)。其中微塑料按照來源分為初級微塑料和次級微塑料;按照形狀可以分為纖維、泡沫、碎片、薄膜、條狀、薄片和顆粒等;按照化學(xué)成分可分為聚丙烯(polypropylene,PP)、聚苯乙烯(polystyrene,PS)、聚乙烯(polyethylene,PE)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)、聚氨酯(polyurethane,PU)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)等。

研究發(fā)現(xiàn)在土壤、淡水、海水、空氣、植物、無脊椎動物和脊椎動物,包括人類體內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了微塑料。微塑料可以在脊椎動物的肌肉和肝臟中生物累積,有致癌性、遺傳和生長相關(guān)的毒性,會導(dǎo)致嗅覺、心臟、生殖、消化、免疫、神經(jīng)和內(nèi)分泌問題。微塑料會在無脊椎動物中累積,導(dǎo)致呼吸速率增加、溶酶體膜的穩(wěn)定性降低、壓力、免疫力受損,并最終死亡。COLLARD等[2]收集了關(guān)于淡水魚類中微塑料污染的數(shù)據(jù),在200多個魚種中檢測到微塑料,微塑料的生物積聚對魚類消化、繁殖和發(fā)育產(chǎn)生不利影響。微塑料積聚在鳥類的腸道中,給鳥類造成物理損傷和化學(xué)毒性,導(dǎo)致營養(yǎng)缺乏、脂肪沉積和體重下降。微塑料在土壤中累積,會導(dǎo)致土壤質(zhì)地發(fā)生變化、水分蒸發(fā)加快、土壤微生態(tài)的毒性,會延緩植物生長;同時,微塑料在植物呼吸過程中通過氣孔進(jìn)入間葉細(xì)胞,之后會抑制葉綠素的形成,進(jìn)而影響光合作用。微塑料進(jìn)入食物鏈后,由于難降解性和周期長,放大生物累積后進(jìn)入人的身體,在人體的血液、胎盤、肺部等部位都發(fā)現(xiàn)了微塑料。人體吸入較小尺寸的微塑料后會在肺部累積,而較大的微塑料則會從體內(nèi)排出。在體內(nèi)累積的微塑料會通過血液循環(huán)到達(dá)不同的器官,導(dǎo)致內(nèi)臟炎癥和氧化應(yīng)激。另一方面,微塑料有荷電性、高比表面積和疏水性,這些特點使它們成為其他污染物的理想載體。微塑料的載體特性會讓水生動物暴露在農(nóng)藥、化妝品、干擾內(nèi)分泌的藥、多溴二苯醚、持久性的有機(jī)污染物等有害物質(zhì)下,最終這些物質(zhì)會進(jìn)入食物鏈,對環(huán)境和人類造成很大的影響。

微塑料對人體和環(huán)境的危害越來越大,微塑料的降解和處理也是迫在眉睫的事情。目前根據(jù)微塑料降解的機(jī)制,降解方法可分為光熱降解、臭氧誘導(dǎo)降解、催化降解和生物降解。在自然界中,微塑料的降解從光降解開始,隨后是水解和熱氧化,隨后分解成低分子質(zhì)量的化合物,被微生物代謝為CO2(CH4)和H2O,此過程需要多年才能完成。微塑料在自然環(huán)境下生物降解,產(chǎn)物沒有二次污染,對于自然界和人類,選擇生物降解微塑料是經(jīng)濟(jì)和合理的。

文章綜述了微塑料的種類、危害以及生物降解微塑料的影響因素,降解微塑料的昆蟲、微生物、酶類,分析昆蟲、微生物、酶降解微塑料的機(jī)制。根據(jù)目前生物降解微塑料的研究進(jìn)展以及影響因素,結(jié)合代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué),使用高通量測序技術(shù),提出將來生物降解微塑料的研究方向和研究思路,為生物降解微塑料提供理論基礎(chǔ)。

1 生物降解微塑料的影響因素

微塑料的物理化學(xué)特性(聚合物鏈的長度和主鏈成分、聚合物結(jié)晶度、分子質(zhì)量、添加劑、疏水性、表面積)和環(huán)境因素(機(jī)械磨損、pH值、溫度、光照等)均會影響其生物降解過程。

1.1 物理化學(xué)特性對微塑料降解率的影響

微塑料的物理化學(xué)特性在生物降解中起重要作用。如穩(wěn)定的C—C和C—H鍵,聚合物中有無可水解和氧化的基團(tuán);高分子質(zhì)量和在極性溶劑中的低溶解度等,都會影響在自然環(huán)境條件下生物降解過程。首先是微塑料聚合物的主鏈成分和長度,長碳鏈(如PP)聚合物不易生物降解。在塑料中加入雜原子,如在PET和PU加入氧原子后,就會變成易生物降解和熱降解的塑料。聚合物的疏水性也會影響降解效率,親水性越高,降解率越好。此外,降解率也與聚合物的結(jié)晶度有關(guān),聚合物的結(jié)晶度越高,在降解時需要的H2O和O2會更多。因此,長鏈或高結(jié)晶度會降低生物降解率。另一方面,無定形聚合物結(jié)構(gòu)更容易被H2O和O2攻擊,因此聚合物無定形區(qū)域被認(rèn)為更適合熱氧化,也會提高生物降解率[3]。聚合物的分子質(zhì)量也會影響降解速度,高分子質(zhì)量的聚合物相對表面積較低,降解速度較慢。在生產(chǎn)工藝和添加劑使用方面,生產(chǎn)工藝對微塑料的生物降解率有很大影響。例如,通過質(zhì)量聚合或加入Ziegler-Natta催化劑制造的PP比共聚合制造的PP更易發(fā)生光降解和生物降解。微塑料中的一些添加劑(如穩(wěn)定劑),會降低生物降解率。

1.2 環(huán)境因素對微塑料降解率的影響

微塑料環(huán)境影響因素有機(jī)械磨損、溫度、pH值和光照射等。進(jìn)入自然界的塑料在風(fēng)化、海浪和粉塵等摩擦機(jī)械外力的作用下,塑料會被磨損或撕裂為小顆粒。模擬微塑料在海灘上的降解實驗表明,在沒有紫外線的情況下,微塑料不易機(jī)械磨損;在沒有沙粒的機(jī)械磨損下,紫外線照射在微塑料的表面誘發(fā)裂縫,但沒有裂損。紫外線照射和沙粒磨損相結(jié)合,微塑料易被降解和撕裂。紫外線照射降解微塑料時,加入機(jī)械外力可以加快微塑料的破碎。機(jī)械磨損是促進(jìn)微塑料生物降解率的一個重要因素,粉碎后,比表面積減少,與酶或者微生物反應(yīng)接觸面積增加,會加快微塑料的降解。

光降解是有氧戶外環(huán)境中最重要的非生物降解途徑。光照會導(dǎo)致微塑料的表面氧化,增加微塑料聚合物的親水性,加快聚合物表面的微生物生物膜的形成。優(yōu)化pH值條件可以促進(jìn)微生物的生長和活性,從而使微塑料降解率最大化。紅球菌(Rhodococcussp.)36菌株在pH值為8.96時生長最快,并達(dá)到最佳的微塑料降解率[6]。在微生物降解過程中,產(chǎn)生一些代謝產(chǎn)物,影響環(huán)境的pH值,破壞微塑料的結(jié)構(gòu),促進(jìn)其降解。

在生物降解微塑料時,微塑料的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及降解過程中的環(huán)境因素對降解率有影響。提高微塑料的生物降解率可以通過改變微塑料的化學(xué)組成或在生產(chǎn)工藝中加入添加劑,在自然界降解時選擇適宜pH值、較高溫度以及更強烈的機(jī)械磨損配合O2和光照、多微生物共協(xié)也有利于生物降解率的提高。微塑料在自然界的降解過程,首先通過光、熱等物理或者化學(xué)方法分解,但這些降解方法有缺點,如使用高溫有利于微塑料的分解,但微塑料不能完全礦化;如果使用昂貴的化學(xué)藥品催化降解會導(dǎo)致二次污染。生物降解微塑料,降解產(chǎn)物無污染,將光降解、催化降解等物理化學(xué)降解方法與生物降解聯(lián)合使用,是降解微塑料的不錯選擇。

2 生物降解微塑料

生物降解微塑料的方法有:(1)昆蟲攝食微塑料并進(jìn)行降解;(2)從土壤、垃圾場、海洋篩選分離可降解微塑料的細(xì)菌、真菌降解;(3)利用微生物菌株分泌的酶進(jìn)行降解。

2.1 昆蟲攝食降解微塑料研究現(xiàn)狀及降解機(jī)制

2.1.1 昆蟲攝食降解微塑料研究現(xiàn)狀

昆蟲可以以塑料為食,維持正常的生命活動,并將塑料轉(zhuǎn)化為無害的化合物。昆蟲及其幼蟲對PS、PP、PVC和PE等塑料的降解研究越來越多,降解微塑料的昆蟲種類見表1。表1表明,攝食塑料并進(jìn)行降解的昆蟲研究較多的為黃粉蟲、大蠟螟、印度谷螟等,這些昆蟲在降解微塑料時,降解微塑料的種類不同,降解效果也各不相同,如黃粉蟲、大蠟螟、印度谷螟、超級蠕蟲能降解多種微塑料,可以作為生物降解微塑料的潛在昆蟲資源。下面主要對黃粉蟲、大蠟螟、超級蠕蟲的降解機(jī)制進(jìn)行綜述,為這幾種昆蟲降解微塑料可能性提供更多理論參考。

表1 降解微塑料的昆蟲種類及其降解效果

2.1.2 昆蟲攝食降解微塑料降解機(jī)制

對超級蠕蟲、黃粉蟲和大蠟螟幼蟲降解PS的比較研究表明,超級蠕蟲幼蟲將PS降解為低分子質(zhì)量化合物,黃粉蟲切斷苯環(huán)解聚PS[7]。PS微塑料在蠟螟幼蟲的腸道中通過苯酚-4-羥基苯甲醛-4-羥基苯甲酸甲酯和苯乙烯氧化物-苯乙醛途徑完全解聚,與質(zhì)譜分析和代謝組學(xué)分析結(jié)果相同。PE和PS的解聚隨著結(jié)晶度的增加而減少,脂肪酸降解途徑參與了塑料中間物的降解[18]。超級蠕蟲和黃粉蟲的幼蟲對PS和PU泡沫的降解中有氧化變化[19]。昆蟲幼蟲能對塑料降解是由于腸道微生物群和消化酶的作用,昆蟲幼蟲的腸道微生物群會根據(jù)喂養(yǎng)塑料的種類而發(fā)生變化。黃粉蟲幼蟲攝食包裝和膨脹的PS時,腸道微生物中含有豐富的乳球菌、腸球菌和腸桿菌屬[20]。用PS喂養(yǎng)超級蠕蟲、黃粉蟲和大蠟螟時,腸球菌和腸桿菌科的細(xì)菌在內(nèi)臟微生物中占主導(dǎo)地位,表明它們參與了PS降解[7]。對用PE喂養(yǎng)的黃粉蟲幼蟲的腸道微生物進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,硝化單胞菌、農(nóng)桿菌、硝化芽孢桿菌和乳酸桿菌占主導(dǎo)地位,酯酶和磷酸酶較多[21]。用PS、PE和PU泡沫喂養(yǎng)超級蠕蟲幼蟲時,腸道微生物主要是腸球菌屬、檸檬桿菌屬、擬桿菌門和鞘氨醇桿菌,同時蛋白酶的分泌增加[22]。

為更好研究昆蟲攝食、降解微塑料的機(jī)制,在體外對降解微塑料的昆蟲腸道共生菌進(jìn)行篩選。REN等[23]用大蠟螟幼蟲腸道勻漿進(jìn)行了篩選,使用液體培養(yǎng)基,PE作為唯一的碳源,篩選出優(yōu)勢菌腸桿菌。用腸桿菌懸浮液處理PE塑料14 d,PE膜表面出現(xiàn)了凹陷、裂縫,結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)羰基和醚類,對上清液進(jìn)行色譜分析發(fā)現(xiàn)了與PE生物降解有關(guān)的代謝物。ZHANG等[24]用大蠟螟篩選出了具有降解低密度PE和高密度PE潛力的微生物。一種真菌菌株被分離出來,并被確定為黃曲霉PEDX3,其中有2個漆酶樣多銅氧化酶AFLA_006190和AFLA_053930的基因在降解PE中表達(dá)上調(diào),這2種酶可能與PE降解有關(guān)。

MONTAZER等[25]從能降解PE的大蠟螟幼蟲腸道中分離出紡綞形賴氨酸芽孢桿菌(Lysinibacillusfusiformis)、阿氏芽孢桿菌(Bacillusaryabhattai)和氧化微桿菌(Microbacteriumoxydans),將這3種菌與其他可生物降解低密度PE的菌株(如殺蟲貪銅菌H16(CupriavidusnecatorH16)、惡臭假單胞菌LS46(PseudomonasputidaLS46)、惡臭假單胞菌IRN22)聯(lián)合共協(xié),共協(xié)后的菌群在生物降解低密度PE方面比單個菌種更有效。為確定大蠟螟降解微塑料的機(jī)制,除了腸道微生物外,還研究了昆蟲的其他部分。PEYDAEI等[26]認(rèn)為大蠟螟的唾液腺可能參與PE的生物降解在對喂養(yǎng)了10 d PE的幼蟲腺體進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)研究時發(fā)現(xiàn),在大蠟螟幼蟲食用PE過程中蛋白質(zhì)被明顯誘導(dǎo),能量水平發(fā)生變化,這與脂肪酸β-氧化中的酶途徑被刺激有關(guān)。

基于代謝組學(xué)和色譜分析,WANG等[19]提出了大蠟螟腸道中降解PS的2條潛在代謝途徑:氧化苯乙烯-苯乙醛和氧化4-甲基苯酚-4-羥基苯甲醛-4-羥基苯甲酸酯代謝路徑,其中有多種內(nèi)源酶的共同作用(細(xì)胞色素P450 s酶、烷烴羥化酶、單氧酶和環(huán)羥基化二加氧酶),有O2或自由基存在的情況下可以將PS解聚為單體,但負(fù)責(zé)PS解聚的酶以及酶促反應(yīng)機(jī)制仍然未知[19]。YANG研究黃粉蟲幼蟲的PS生物降解過程,步驟如下:(1) 首先,聚合物通過咀嚼被分解成更小的顆粒,增加塑料的接觸面,有利于微生物和胞外酶的作用;(2) 攝入的顆粒被腸道微生物群分泌的細(xì)胞外酶解成小分子物質(zhì);(3)小分子物質(zhì)被各種微生物降解或生物礦化成CO2,小分子物質(zhì)中的碳元素被進(jìn)一步同化到生物質(zhì)中;(4) 最后,殘留的碎片和其他中間產(chǎn)物在幼蟲的糞便中被排出[27]。YIN等[28]從黃粉蟲中分離出了不動桿菌屬(Acinetobactersp.)NyZ450菌株和芽孢桿菌(Bacillussp.)NyZ451菌株,與單一細(xì)菌相比,兩菌共協(xié)對PS的生物降解效率更高,復(fù)雜的腸道微生物可能更利于生物降解。

昆蟲攝食微塑料后,通過咀嚼增加微塑料的表面積,昆蟲分泌解聚微塑料的酶類和腸道微生物群共同作用下可降解微塑料。昆蟲攝食降解微塑料在理論層面比單用微生物降解微塑料更具可行性。但是目前對于昆蟲攝食微塑料后體內(nèi)酶分泌的機(jī)制和觸發(fā)酶分泌的機(jī)制研究不多。在將來研究中,昆蟲攝食微塑料后,研究昆蟲、腸道微生物群、微塑料三方的互作機(jī)制,可為昆蟲降解微塑料提供參考。

2.2 微生物降解微塑料的研究現(xiàn)狀及降解機(jī)制

2.2.1 微生物降解微塑料的研究現(xiàn)狀

微塑料的微生物降解方法分為好氧和厭氧微生物降解。前者通常發(fā)生在自然界,降解產(chǎn)物為CO2和H2O;后者發(fā)生在沉積物和垃圾填埋場,產(chǎn)物為CO2、H2O和CH4。在自然環(huán)境中,微塑料被大量的微生物包圍,這些微生物共協(xié)完成微塑料的降解。從各種環(huán)境如海洋、垃圾場等環(huán)境中篩選分離的可降解微塑料的菌株見表2。

由表2可知,微生物降解微塑料的降解率不高,原因是塑料的物理化學(xué)特性使微生物難以完成塑料為底物的代謝。同時發(fā)現(xiàn)不同的微生物可以降解同一種微塑料,可能是不同的微生物在代謝活動中有共同特性,如分泌同種細(xì)胞外酶或者細(xì)胞內(nèi)酶,降解聚合物。KHAN等[29]從巴基斯坦一個城市垃圾處理場的土壤中分離并鑒定了一種降解PU的真菌塔賓曲霉(A.tubingensis),這種真菌可以破壞PU的化學(xué)鍵,并在降解過程中可以使PU的表面開裂、侵蝕,形成孔隙,減弱微塑料的拉伸強度。

青霉、曲霉等真菌可以降解微塑料(表2),真菌降解微塑料的機(jī)制是因為真菌菌絲范圍廣,可以穿透微塑料表面直接接觸聚合物,進(jìn)行降解;同時,真菌菌絲可以分泌解聚酶(細(xì)胞外酶),將聚合物分解成低聚物、二聚物和單聚物,相對細(xì)菌,真菌分泌的酶濃度更高。多種微生物共協(xié)的降解率可能高于單一菌種,用單一菌種降解微塑料,在降解的后期,會產(chǎn)生有毒代謝物,這些有毒物質(zhì)抑制微生物的生長。而多種微生物共協(xié)降解可以消除有毒代謝物,呈現(xiàn)更好的降解效果。PARK等[30]從一個垃圾場分離出的微塑料降解微生物,其中有芽孢桿菌(Bacillussp.)和類芽孢桿菌(Paenibacillussp.),將這些菌株接種在以PE為唯一碳源的培養(yǎng)基共同培養(yǎng)60 d,結(jié)果PE干重?fù)p失為14.7%。ABRUSCI等[5]從土壤中分離3種降解PE的微生物蠟狀芽孢桿菌(Bacilluscereus)、巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis),在45 ℃下共同培養(yǎng)90 d,3種微生物共協(xié)的降解率為7%～10%。WANG等[20]的研究表明海底的熱塑性微塑料(3-羥基丁酸-co-3-羥基己酸)的生物降解是由厭氧菌類Cloacamonales和熱袍菌目(Thermotogales)共協(xié)完成。

多種微生物共協(xié)降解的降解率理論上高于單一菌株的降解率,目前這方面的研究較少,原因是多種微生物共協(xié)降解,需要考慮微生物的最適生長溫度、pH值、厭氧或好氧等方面的因素,只有多種微生物同時具有共同的生長條件,并在生長過程中沒有競爭或者排斥,微生物共協(xié)降解才能有更好的效果。

2.2.2 微生物降解微塑料的降解機(jī)制

微生物降解微塑料的機(jī)制分生物定植、生物侵蝕、生物粉碎、生物同化和生物礦化等5步。首先,微生物在微塑料表面定植,在此過程,參與的微生物組成聯(lián)合體,代謝產(chǎn)生多種蛋白質(zhì)和多糖,形成生物膜,黏附到微塑料聚合物的表面,引起微塑料聚合物表面嚴(yán)重?fù)p害。黏附到微塑料表面的蛋白質(zhì)和多糖滲入到微塑料聚合物孔隙中,導(dǎo)致孔隙大小改變。如絲狀真菌利用其菌絲體滲透到微塑料聚合物中,以增加孔隙的大小并誘發(fā)微塑料聚合物裂縫的形成,導(dǎo)致微塑料聚合物阻力和耐久性下降。另外,微生物分泌的細(xì)胞外物質(zhì)會影響微塑料的疏水性或親水性,提高微生物的滲透率。同時,微生物也會產(chǎn)生一些酶類,如脂肪酶、酯酶、尿素酶和蛋白酶,以克服微塑料聚合物的結(jié)晶性。由于定植、侵蝕,聚合物中的小裂解片段(約500 Da的低聚物)被釋放出來。微生物使用不同的機(jī)制來裂解聚合物小裂解片段,如分泌氧化還原酶、水解酶等特殊酶類,或者產(chǎn)生自由基。參與此過程的微生物內(nèi)生和外生酶不是立即合成的,它需要時間來啟動細(xì)胞機(jī)制合成特定的酶。此外,酶的濃度隨著時間的推移而增加,活性隨著底物的消失而終止,這些導(dǎo)致微生物降解塑料需要較長的時間。水解階段是由各種酶的活性強烈決定的。由于微塑料聚合物的高疏水性,聚合物鏈的裂解反應(yīng)是復(fù)雜的,該反應(yīng)需要多種酶共協(xié)來改變聚合物結(jié)構(gòu)。例如,形成酒精或過氧基團(tuán)的單氧酶和雙氧酶可以增加聚合物結(jié)構(gòu)的極性,使生物降解過程更加有效。

另一方面,自由基氧化能增加或形成更多羥基、羰基、羧基,從而增加分子的極性(親水性),親水性增加,微生物更易黏附。聚合物的氧化反應(yīng)由多種酶催化,產(chǎn)生自由基,誘發(fā)氧化應(yīng)激,導(dǎo)致連鎖反應(yīng),誘發(fā)聚合物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和降解。降解中,由于酶不能與這些聚合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互作用,通過酶反應(yīng)降解線性高分子化合物受到極大的限制。此外,一些微生物,如細(xì)菌、真菌和藻類,降解中可以產(chǎn)生H2O2[44],促進(jìn)聚合物的氧化,加快降解。

微塑料聚合物在酶或者氧化自由基的作用下,裂解為單體、二聚體或低聚體。單體被微生物同化,產(chǎn)生細(xì)胞生物量。生物量作為基本成分被微生物完全代謝,并被微生物分解成CO2或CH4(與O2是否可用有關(guān))和H2O。

ZAMPOLLI等[45]對生長在PE上的渾濁紅球菌(Rhodococcusopacus)R7轉(zhuǎn)錄組分析,闡明PE的生物降解機(jī)制。轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)恢復(fù)參與氧化第一步的基因,證實了編碼為漆酶樣酶的基因的激活。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析確定短鏈脂肪族進(jìn)一步氧化的候選基因,是編碼為烷烴單氧酶的alkB基因、編碼為細(xì)胞色素P450羥化酶的cyp450基因和編碼膜運輸工具的基因。KIRSTEIN等[46]使用下一代測序技術(shù)和16S rDNA引物分析海水中多種微塑料基質(zhì)中生物膜的細(xì)菌成員,發(fā)現(xiàn)PVC可通過屈撓曲菌屬(Flexithrix)來區(qū)分,聚酯型PU可通過海氏菌屬(Hirschia)和紅桿菌屬(Erythrobacter)與其他塑料區(qū)分,這些表明,微塑料表面生物膜的生成是由塑料種類來決定的。

自然界微生物種類繁多,來源方便,降解產(chǎn)物無污染,使用微生物降解微塑料是可行方法。微生物降解微塑料推廣中有幾點需要克服。首先,微生物降解微塑料機(jī)制中需要分泌降解塑料的多種酶類以及增加酶類濃度,此過程有時長限制,影響微塑料的降解周期;將來研究確定降解塑料的酶的具體種類進(jìn)行量產(chǎn),量產(chǎn)的酶類投入微生物塑料降解過程,增加塑料降解酶的濃度,縮短微塑料的降解周期。其次,微塑料聚合物表面疏水性改變是微生物降解的一個關(guān)鍵步驟,疏水性的變化會影響微生物在塑料表面的黏附性。因此,將來研究以確定能降解微塑料的微生物為對象,研究微生物改變微塑料的疏水物質(zhì),確定其種類,開啟降解微塑料的鑰匙。再次,降解中如果有自由基存在,會增加降解可能性。在微生物降解塑料中,配合誘發(fā)產(chǎn)生自由基的氧化分子,如光照、催化劑等可加快降解速率。

2.3 酶降解微塑料的研究現(xiàn)狀及機(jī)制

2.3.1 酶降解微塑料的研究現(xiàn)狀

微塑料由于自身的物理化學(xué)特性,很難直接被微生物和昆蟲降解,在降解中,微生物或者昆蟲分泌的酶類將長鏈聚合物切斷,變成短鏈或者更小的分子,被微生物代謝利用。降解微塑料聚合物的酶可分為細(xì)胞內(nèi)酶和細(xì)胞外解聚酶[34]。降解不同微塑料的酶的種類見表3。

表3 降解微塑料的不同酶類

表3表明,目前能降解微塑料的酶類主要來源于各種微生物,來源單一,且種類少。昆蟲能攝食微塑料并進(jìn)行生物降解,在昆蟲的降解機(jī)制中有酶的參與,利用昆蟲資源,研究昆蟲中的降解酶,為微塑料酶降解提供參考。

2.3.2 酶降解微塑料的降解機(jī)制

酶降解微塑料的機(jī)制研究不多,大多數(shù)集中在酶解PET方面。細(xì)胞內(nèi)酶中的酯酶和脂肪酶能水解PET中的酯鍵,胞外酶可以將復(fù)雜的聚合物分解成短鏈或更小的分子,如低聚物、二聚物或單聚物,它們可以穿過微生物的外膜,然后作為碳源被微生物吸收。PET降解具體機(jī)制是PET在解聚酶的作用下水解,脫氫、氧化,最后降解為小分子,被微生物吸收利用。其他類型聚合物的降解過程與PET相似,由不同的解聚酶參與生化反應(yīng),進(jìn)而水解和氧化[31]。此過程有2種酶參與PET的降解。首先,PET酶將PET轉(zhuǎn)化為單(2-羥乙基)對苯二甲酸(monohydroxyethyl terephthalate, MHET),并以微量的對苯二甲酸和雙(2-羥乙基)對苯二甲酸作為次級產(chǎn)物。其次,MHET酶參與代謝,將MHET轉(zhuǎn)化為對苯二甲酸和乙二醇。另一方面,代謝途徑上,乙二醇可以作為三羧酸循環(huán)底物的前體,既可以通過乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為乙酸,也可以轉(zhuǎn)化為異檸檬酸。對苯二甲酸分子經(jīng)過一系列反應(yīng),從對苯二甲酸合成原兒茶酸,原兒茶酸經(jīng)過β-酮基己二酸代謝途徑代謝[56]。

WRIGHT等[57]從海洋中分離2種微生物, 硫棒菌(Thioclavasp.)BHET1和芽孢桿菌(Bacillussp.)BHET2,代謝組學(xué)證實這2種分離物都能降解PET,高通量蛋白質(zhì)組學(xué)顯示,硫棒菌BHET1使用了在陸地環(huán)境中確定的降解途徑,但在芽孢桿菌BHET2中卻沒有采用陸地環(huán)境的降解途徑,這表明該細(xì)菌使用的酶與以前確定的酶沒有同源性,或者該細(xì)菌使用一種新的途徑來降解PET。

微生物和昆蟲在降解微塑料過程中分泌細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)的酶來降解塑料聚合物,但微生物降解酶的分泌量受微生物本身調(diào)控機(jī)制限制,量少且時間久。昆蟲在微塑料降解中也分泌酶類,但分泌機(jī)制和種類以及酶和腸道微生物、宿主之間的互作研究不多,同時在昆蟲宿主和腸道微生物互作下酶對降解率的影響也不清楚。已知的是,酶在微塑料生物降解中起重要的作用,研究酶降解微塑料的機(jī)制,尋找更多的能降解微塑料的酶類,將現(xiàn)有的降解微塑料的酶類人工合成,明確在微生物或者昆蟲降解微塑料時觸發(fā)酶分泌的機(jī)制,為將來更進(jìn)一步實現(xiàn)微塑料的生物降解。

3 展望

塑料已成為人類生活重要不可或缺的物品,由于處理不當(dāng),導(dǎo)致微塑料無處不在,根據(jù)微塑料的物理化學(xué)特性,結(jié)合目前研究現(xiàn)狀,在解決微塑料問題上提出未來研究方向。

(1)利用高通量測序技術(shù),結(jié)合基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué),研究昆蟲腸道微生物菌群、宿主、營養(yǎng)攝食的三方共協(xié)關(guān)系,昆蟲攝食微塑料后,昆蟲宿主體內(nèi)微生物群落的變化,利用代謝組學(xué),分析脂肪、蛋白質(zhì)、以及以微塑料為碳源的代謝機(jī)制,分析代謝中昆蟲分泌消化酶的種類和觸發(fā)機(jī)制,為昆蟲攝食降解微塑料提供可能性參考。

(2)微生物降解微塑料中,由于微生物分泌降解酶的調(diào)控代謝機(jī)制,降解酶分泌有時間限制,微塑料降解的周期變長。在今后的研究中,利用蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué),研究微生物胞外、胞內(nèi)分泌酶的種類,借助人工合成技術(shù),合成分泌酶,利用合成的外酶,加快對微塑料內(nèi)部結(jié)構(gòu)滲透、解聚。研究微生物降解微塑料的機(jī)制,以及在降解中影響降解的生物性和非生物性因素,確定微生物不競爭、和平共生的條件,采用多種微生物聯(lián)合共協(xié),配合微塑料物理化學(xué)降解方法,在微生物降解微塑料周期長的問題上提供一種新思路。

(3)在目前已知的微塑料降解酶的基礎(chǔ)上,找尋更多的降解酶。對目前確定能降解微塑料的酶類采用人工合成,將昆蟲攝食降解和人工酶、微生物降解和人工酶、分別與微塑料物理化學(xué)降解方法聯(lián)合使用,找尋生物降解可行辦法。

降解微塑料的方法中,生物降解污染最小,對自然界和人類來說是一種可靠辦法。生物降解需要解決很多問題,目前看來,有的問題在研究中,也有許多問題在逐步解決,生物降解微塑料讓人類解決塑料和微塑料的污染問題有了希望。