传统塑料废弃物在环境中的降解
塑料废弃物的积累已被公认为是世界范围内最严峻的环境挑战之一，塑料废弃物在环境中的累积造成的污染对自然生态系统和公众健康构成了日益严重的环境威胁,影响着所有生命形式、自然生态系统和经济。在这种威胁下，寻找替代的环境友好的解决方案，如生物降解，而不是传统的处置，是至关重要的。然而，到目前为止，对塑料生物降解机理和效率的了解还很有限。从这个角度来看，大多数传统塑料废物（聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、，聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氨酯）通过生物和生物过程展示其降解潜力。昆虫等无脊椎动物在塑料降解过程中在未来可能发挥的重要作用。
近日，江苏大学孙建中团队探讨不同塑料类型对环境和人类健康的影响，并详细介绍合成塑料的生物降解过程，包括影响该过程的因素。分析了藻类、真菌、细菌和昆虫对塑料生物降解的贡献，提出了提高沼气、生物乙醇和/或生物柴油等生物制品生物降解效率的策略。（图1）
图1. 塑料在无机环境和有机生物作用下降解过程
目前，应用最广泛的塑料是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氨酯（PU），它们分为两类：C-C骨架聚合物和C-O骨架聚合物（图2）。C-C主链聚合物，包括PE、PVC、PS和PP，占总市场份额的77%，而C-O骨架共聚物，如PET和PU，占市场份额的18%。
图2. 根据化学骨架结构分类最常用的塑料类型及其市场份额
2020年，195个国家估计产生约400公吨的塑料废物，其中约有880公吨进入海洋，塑料废物可作为有机污染物、化学品、重金属和病原体的载体。此外，塑料的非生物降解释放出高毒性化合物，恶化了土壤和水的质量，海洋中装载着5.25万亿纳米、宏、微塑料颗粒，重269吨。毫无疑问，生物群面临着被丢弃在湖泊、河流、池塘等不同水体中的塑料废物造成的严重水污染。达卡这个特大城市的湖泊是游客频繁投掷塑料瓶、罐、袋和其他塑料制品造成污染的最好例子之一。水中塑料废物的存在扰乱了自然水流，限制了鱼类繁殖和破坏重要生物的能力，而海洋中的聚合物可能通过形成遮荫的树冠阻碍浮游生物生长而导致全球变暖。（图 3）
图3. 塑料废弃物的归宿及其对环境的危害
所有塑料都含有活性氧（ROS），由于与光的相互作用或过渡金属的存在，活性氧浓度会显著增加，从而通过C键的离解形成自由基。某些类型的塑料，如PU、PVC、苯乙烯聚合物（如PS）和环氧树脂，会产生有害单体，包括致突变和/或致癌的树脂单体。图3是关于食品链中微观和宏观塑料废物的转移。因此，考虑到塑料废物管理不善以及塑料对环境、野生动物和人类健康的全球影响，迫切需要新的塑料废物处理和处置技术，物理化学降解和生物降解是克服塑料污染的一种很有前途的环境友好方法。
图4. 塑料对人体健康的直接和间接影响
塑料降解过程由环境条件和聚合物的物理化学性质决定，如图5所示。塑料的物理化学性质在降解过程中起着重要的作用。塑料对非生物和生物降解的敏感性取决于主链组成和链长，长碳链（如PP）使聚合物耐降解。分子量或结晶度的增加会降低降解速率。另一方面，非晶态聚合物结构会受到水和氧的侵蚀。聚合物无定形区域也被认为更适合热氧化。在这种情况下，聚合物分子量会影响降解速率，而高分子量聚合物由于其较低的相对表面积而表现出较慢的降解速率。
图5. 塑料聚合物的微生物降解阶段
无脊椎动物的消化道激发了许多研究人员的灵感，因为它们能够以木材、塑料废料或其他聚合物质为原料。这些物种包括蜡虫（斑斑瓢虫）、超级蠕虫（Zophobas Attraus）、细粉虫（黄粉虫）和食材白蚁（网纹白蚁）、大蜡蛾（Galleria mellonella）、陆螺（Acatina fulica）和其他无脊椎动物；Dowd和Shen（1990）发现，该现代植物的生殖道中存在共生酵母菌，它能产生水解酶，降解生物碱酯和酚类化合物。此外，昆虫的消化道为微生物定殖提供了理想的环境，特定微生物联合体提供了一个广泛的平台，为宿主提供了多种益处。此外，Yang等人（2014）报告了由于印度谷螟的消化道，地间消化PE膜是分离PE降解微生物的一个突出来源，如细菌如白介菌和细菌。超级蠕虫以猪瘟为碳源，能正常生活28天，显示超级蠕虫作为高效的塑料废弃物生物降解剂的能力。大蜡螟能以1.84 mg/天/虫的速率降解PE和PP塑料，相当于总塑料降解量的92%。
总的来说，塑料生物降解的挑战在于限制聚合物分解成单体的聚合物结构。然而，微生物酶在处理不可水解的合成塑料聚合物时是无效的。因此，建议用生物可降解聚合物（即生物塑料）取代这些聚合物。因此，新型聚合物如聚乳酸或聚羟基脂肪酸盐、PHAs等可提高生物降解率。
塑料因其独特的性能而成为我们日常生活中最不可缺少的材料之一。然而，塑料的利用和积累呈不断增加的趋势，对环境和健康构成了严重威胁。管理不当的塑料废物对环境和人类健康的有害影响，然而，塑料的物理化学特性对微生物降解提出了挑战。在自然界中，一些微生物对塑料的生物降解起着重要的作用。相应地，昆虫肠道微生物在生物降解过程中的重要性也不容忽视。无论是物理和/或化学预处理，都是促进所有聚合物材料降解的主要步骤。在这一范围内，在生物处理之前，有必要处理并可能改变聚合物的性质和组成，以便应用合适的物理化学预处理技术，例如伽马射线或紫外线照射以及使用酸性或碱性溶液的化学预处理。然而，目前还没有一种有效的、环保的、经济的、广泛应用的塑料降解工艺，需要进一步研究开发降解塑料废弃物的新技术。
供稿：靳鑫
编辑：李晓萌 张彤 徐娅
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