「生物酶」的降解真相：降解劑是不是渾水摸魚？

導語：

在全國禁塑的大背景下，關於生物降解塑料的研究如火如荼，因為研究方向、產業發展方向不同，市場也分成了針鋒相對的兩個技術流派：

一派是支持完全生物降解塑料，如PBAT、PLA、PBS等。

另一派是支持改良傳統塑料，把降解劑添加到PP、PE中。

降解劑是一個籠統的稱謂，可能是生物酶、光敏劑等。

PBAT一派認為，添加降解劑是渾水摸魚，降解劑並不能真的降解塑料，只是把塑料分解成肉眼看不見的東西。

降解劑一派則認為，完全生物降解塑料成本太高，並且生產PLA要耗費糧食資源，而且很多地方的GDP也依賴於石化生產的傳統塑料。因此，發展降解劑方向，從政府資源到民間企業都應該得到支持。

本文就降解劑方向進行探討，從不同文獻和研究中，尋找微生物降解PE、PP、PET、ABS、PS等不同合成塑料的理論支撐或者實踐驗證，僅供參考。

PBS降解塑料原創報導，塑料由於質量輕、強度高、耐腐蝕性好、綜合性能高等優勢在生活中得到廣泛的應用。據科學測試，在地下掩埋60年的塑料鞋被挖出後發現其基本不被腐蝕。在大海中漂了60年的塑料製品，功能基本沒有喪失，這就導致廢棄對土壤和環境帶來了直接的破壞性影響。

為了解決這個難題，深入研究塑料的降解機理以及利用生物處理技術開發可降解塑料凸顯出重大意義。

合成塑料是一種由原料單體經加聚或縮聚而成的高分子材料。原料種類較多，也被廣泛應用於生產生活。

合成塑料主要包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)等石油基塑料。各原料分子結構式如下圖所示：

生物處理技術是通過生物代謝過程，將廢物轉化成二氧化碳、水和生物質等最終產物，並進入地球化學循環中。該技術一般具有高效降解、低成本等特點。因此，被認為是處理固體有機廢物的最佳方式方式之一。

在生物處理技術中微生物作為自然界的天然分解者，生存環境豐富多樣，具有很強的適應能力和很高的進化能力。

天然存在的化合物幾乎都可以被微生物完全利用和降解，而人工合成的化合物也會隨著時間推移被微生物逐漸作為底物利用。通過微生物手段降解塑料不會造成汙染，且不需要消耗大量的能量，是一種安全生態的降解方法。

通常來說，因為微生物對塑料降解具有高度的專一性，也就是說，一種微生物只能降解一種塑料。

下面我們從不同的學者研究中，找到微生物降解PE、PP、PET、ABS、PS等不同合成塑料的理論支撐或者實踐驗證。

01

PE

關於微生物降解聚乙烯（PE）塑料，並將其礦化成水和二氧化碳的研究，最早可追溯到20世紀70年代。

2009年，韓秋霞等人也通過實驗證明了改性 PE 膜的可生物降解性。

2017年，張可等分別以塑料薄膜A（30%澱粉、70%的PE和助劑）和薄膜B（95%以上PE和少量助劑）為唯一食物飼養黃粉蟲，黃粉蟲對兩種塑料薄膜均能實現完全降解。

近年來，關於昆蟲齧食並降解PE塑料的研究也有一些報導。昆蟲的腸道內存在PE降解細菌，為PE的生物降解提供了一種新途徑。如果提取這種PE降解生物酶加入塑料原料中，則可以製造出可降解塑料。

不足之處及尚未解決的問題：

PE 類塑料製品相對分子質量大、表面疏水性強，且可被微生物酶系統利用的官能團少，因而在自然環境中難以礦化。

目前對於 PE 微生物降解的具體機制（原理）尚無定論，尤其是從酶和基因水平上闡述 PE 塑料降解生物機制尚為空白，針對 PE 的微生物降解機制仍需深入探索。

02

PP

聚丙烯PP塑料具有較高的分子量、較強的疏水性、較高的化學鍵能等，這些特性導致這類塑料在環境中很難被微生物降解。

研究表明，從土壤中分離得到的微生物菌株，對於經過紫外輻照後的聚丙烯塑料顯示出一定的降解能力，而對於未經預處理的聚丙烯塑料沒有降解能力。這一方面說明獲得的微生物降解效率低下，另一方面說明非生物因素的處理在提高聚丙烯塑料的生物可及性中發揮著重要功能。

用不同的預處理手段對真菌降解聚丙烯塑料做輔助效果測試，結果發現紫外線處理、金屬離子氧化劑處理、或混合澱粉之類的可降解材料，均能在一定程度上提高真菌對聚丙烯塑料的降解能力，而沒有預處理的聚丙烯很難被真菌利用。

不足之處及尚未解決的問題：

目前對於聚丙烯塑料微生物降解的研究，還處在代謝菌株資源分離階段，可研究和應用的聚丙烯塑料降解菌株嚴重缺乏。高效且高特異性的降解菌株未見報導，微生物代謝機理尚未可知。

03

PVC

2019年12月，東莞市和昶興高分子材料曾公布了一項發明專利《一種全生物降解PVC材料及其製備方法》。

全生物降解PVC材料的製備原料包括：PVC 、生物降解劑、混合增塑劑和複合穩定劑。

生物降解劑包括生物膨脹劑、穀氨酸組合物、生物酶。其中穀氨酸組合物包含穀氨酸、戊二酸和聚乳酸。

04

PET

據泡泡網新聞頻道報導，在2016年，來自日本的科學家團隊在一處垃圾處理場分離出了某種特殊細菌，該細菌是人類已知的第一種以PET塑料作為食物來源的生物。並且發現這種細菌可以在聚合物化學鍵層面上降解PET塑料。

隨後，科學家們分離出了這種細菌在分解PET過程中分泌的一種塑料降解酶，正是這種酶使該細菌擁有可以消化PET的神奇能力。這種細菌分泌的PET降解酶同人類分泌的胃酸和消化酶一樣，都是用來促進自身食物消化的。

由於酶具有專一性的特點，PET降解酶也是專門用來降解PET的，它的生化作用很明確，就是破壞PET中的化學鍵，將其還原為對環境影響很小的對苯二甲酸和乙二醇。

05

PS

2019年12月，王時民、何春燕通過發明專利的申請，公開了一種全生物降解PS塑料。製備原料包括PS、生物降解劑和丁苯橡膠。生物降解劑包括生物膨脹劑、穀氨酸組合物和生物酶。

當將這種全生物降解PS塑料在厭氧條件中或者進行填埋後，其中的穀氨酸組合物和生物酶能夠吸引土壤中的微生物附著於該材料。

當材料周圍的微生物達到一定數量時，周圍的ph值會受微生物影響，將周圍的氧轉化為二氧化碳和水。

隨著填埋后土壤溫度的升高，材料內部的生物膨脹劑受外部條件影響，使材料中分子變大，分子外層越來越薄。與此同時，微生物菌群汲取穀氨酸組合物和生物酶為養料，分泌出的酶或酸性物質將大分子逐漸分解為小分子，直至降解過程結束。

生物酶為氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂解酶和連接酶中的至少一種。

穀氨酸參與微生物體內的眾多反應，是微生物代謝的重要營養物質，可吸引土壤中的微生物聚集。

生物複合酶促進自然界中物質的分解代謝。其中，氧化還原酶催化氧化還原反應，轉移酶催化化學功能團轉移，水解酶催化水解反應，裂解酶催化增加雙鍵反應，異構酶催化異構反應，連接酶催化形成新鍵。

06

微生物降解機理

多數合成的純聚合物均具有抗微生物侵蝕的能力。

但添加劑(如增塑劑、潤滑劑、色素和抗氧劑等)則降低這種能力。增塑劑殘餘脂肪酸如硬脂酸酯，可被微生物降解並導致聚合物表面和性能甚至基礎結構的破壞。

微生物對天然聚合物的降解作用，是通過生物合成所產生的酶蛋白質來完成的。這些酶蛋白可以著落在細胞壁上，或存在於細胞的原生質結構中。有些酶能潛入周圍的環境中，有些酶則留在細胞內，只有在細胞被溶解或機械破碎時才釋放出來。

但是由於微生物降解具有高度的專一性，對許多聚合物機理，至今也不完全清楚，這裡僅對已知的一些容易發生生物降解的聚合物機理作了初步討論。

綜合上述研究，微生物或者酶蛋白，是可以在特定的條件下降解塑料的，不過多數研究未能就其降解機理作出強有力的解釋，因此，把「降解劑」加到PP、PE等傳統塑料中，生產生物降解塑料的做法，至今仍存在諸多質疑。

來源 | PBS降解塑料

作者 | 小將

參考 |

[1]李淑芬,於九皋,邱海霞等.可降解塑料的研究進展[J].專題論述,(3):1-10。2 

[2]戴長華,劉然克.塑料的降解機理及可降解塑料的開發[J].現代塑料加工應用,1998。7 

[3]鍾世雲,許乾慰,王公善著.聚合物降解與穩定化[M].北京:化學工業出版社。8