海洋微塑料污染及生物降解研究進(jìn)展

伍珊

摘 要：塑料因其易制造、功能多樣、使用方便等原因多年來被大量生產(chǎn)并使用，但由此而產(chǎn)生的環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)重。優(yōu)其是近年來研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)塑料制品被丟棄后并未完全降解，大量的塑料碎屑在海洋及陸地水體中形成了微塑料污染，對環(huán)境、生物及人類健康造成了威脅，目前海洋微塑料污染的相關(guān)研究主要集中在監(jiān)測分布、毒性分析領(lǐng)域，降解方法的研究剛剛興起。從海洋微塑料污染的來源、危害、監(jiān)測、分析以及生物降解等幾個(gè)方面綜述了相關(guān)研究進(jìn)展，并對海洋微塑料生物降解技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了討論及展望。

關(guān)鍵詞：海洋微塑料，生物降解，可水解塑料，不可水解塑料

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.09.096

塑料是以單體為原料，通過加聚或者縮聚反應(yīng)聚合而成，大多添加一些其它化學(xué)物質(zhì)以改變性能的高分子聚合物。由于易制造、成本低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、溫度耐受范圍廣、防水性好，自上世紀(jì)30年代被發(fā)明以來，在世界范圍內(nèi)的使用迅速普及，生產(chǎn)量逐年穩(wěn)定提高，至今全球已生產(chǎn)了超過83億噸塑料。應(yīng)用廣泛的塑料包括聚苯乙烯、聚氯乙烯、尼龍、聚氨酯、聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙酯。這些塑料在環(huán)境中被物理、化學(xué)和生物的作用逐漸腐蝕，大的塑料廢品易在環(huán)境作用力的效果下被碎片化，但這些塑料大約需要400年左右時(shí)間才能被徹底降解，大多數(shù)塑料會形成粒徑小、密度低，能在風(fēng)力、洋流等外力作用下進(jìn)行遷移的塑料碎屑，直徑小于5mm的塑料碎屑被稱為微塑料。微塑料污染的產(chǎn)生對海洋環(huán)境有多方面的危害，已經(jīng)在國際上引起廣泛的關(guān)注。

1 微塑料的來源

全球每年約有800萬噸塑料流入海洋。海洋中的微塑料通常來源于陸地河流流入、漁業(yè)及石油等海上作業(yè)環(huán)節(jié)。日常生活用品中的添加的各種塑料顆粒、工業(yè)使用的塑料原料等最終經(jīng)過不完全的污水處理過程由河流進(jìn)入海洋，其主要化學(xué)成分為聚氨酯、聚苯乙烯等。另外，海岸帶堆放的塑料垃圾進(jìn)入海洋也會造成污染。

2 海洋微塑料的分布及特征

微塑料在水體表層、近海岸海灘和水底深積物中均有分布，并且存在較大的空間差異。一般來說，近海岸海域微塑料污染嚴(yán)重，多與人類生產(chǎn)活動(dòng)密集程度有關(guān)。海岸沉積物中含量高于深海沉積物。目前，人們調(diào)查采集的微塑料形狀、大小、顏色、密度各有不同，與其來源的塑料類型有關(guān)。由于微塑料在產(chǎn)生過程中受到了各作環(huán)境作用力，形狀多不規(guī)則、表面凹凸不平、多有裂縫，經(jīng)常附著原油、鐵氧化物、有機(jī)污染物、細(xì)菌甚至病毒等物，受季風(fēng)和洋流等外力影響在不同海域聚集。

3 海洋微塑料污染的危害

2015年，聯(lián)合國海洋環(huán)?？茖W(xué)問題聯(lián)合專家組發(fā)布了《海洋微塑料的來源、去向和影響》一文。微塑料易被浮游生物及魚類等誤食營造假的飽腹感并積累，隨著捕食關(guān)系在食物網(wǎng)中轉(zhuǎn)移和富集，最終會對人類的健康造成威脅。目前，微塑料在不同的生物如蚊子、貽貝等體內(nèi)不斷被檢出。已有研究證明，用微塑料喂食的大鼠肝功能受損，雄性大鼠的生殖功能也受影響。塑料瀝出物還會造成海洋橈足類動(dòng)物Nitocra spinipes的死亡。

4 海洋微塑料的采集及分析方法

建立準(zhǔn)確、高效的分析方法是研究環(huán)境中微塑料分布及遷移規(guī)律、生態(tài)及生物毒理效應(yīng)的基礎(chǔ)。通過文獻(xiàn)搜索發(fā)現(xiàn)，目前全球在海洋微塑料污染方面的研究大部分集中在監(jiān)測及毒性分析領(lǐng)域，治理及降解方法等方面也有少量研究。

環(huán)境中微塑料分析的一般環(huán)節(jié)包括選定監(jiān)測地點(diǎn)、采樣、預(yù)處理及定性定量分析四個(gè)大的環(huán)節(jié)。根據(jù)監(jiān)測地點(diǎn)研究對象的特點(diǎn)選取采樣方法，如表層沉積物樣品采集可使用直接挑選法;被沉積物顆粒覆蓋的樣品可用大樣本法采集;豐度低的樣品可用濃縮法采樣。水中采樣時(shí)選用的裝置根據(jù)水深及采樣方法進(jìn)行選擇，表層水用拖網(wǎng)或水桶、中層水選用Bongo網(wǎng)或水桶、深層水用底棲拖網(wǎng)等方式?？赏ㄟ^采集浮游生物以及大型生物組織切片來研究微塑料在生物體內(nèi)的分布情況。樣本經(jīng)過目檢、密度分離、過濾、過篩、消解等預(yù)處理后可以進(jìn)行物理形態(tài)、化學(xué)組分等方面的定性分析及定量分析。

5 塑料生物降解研究進(jìn)展

塑料可被環(huán)境物理、化學(xué)作用力緩慢分解但耗時(shí)太久，按照目前的塑料生產(chǎn)使用速度及降解水平，至2050年海洋中的塑料垃圾數(shù)量將超過海中魚的數(shù)量。研究證明，自然界存在能徹底分解塑料制品的微生物。目前人們大量生產(chǎn)使用的塑料可分為兩大類：可水解和不可水解類。降解不同化學(xué)組分塑料的微生物不同，降解代謝也不同。下面將根據(jù)塑料化學(xué)組分的不同，分類描述其生物降解研究進(jìn)展。

5.1 可水解塑料的生物降解

可水解塑料包括聚酰胺（Polyamides，PA）、聚氨酯（Polyurethane，PUR）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。

聚酰胺（PA）俗稱尼龍，主鏈重復(fù)單元間以酰胺鍵相連，酰胺鍵與天然蛋白的肽鍵高度相似。PA有優(yōu)良的力學(xué)性能，自潤滑性、耐摩性、絕緣性、耐化學(xué)藥品性優(yōu)良，是用途廣泛的通用工程塑料，近年來為了滿足工業(yè)新需求還產(chǎn)生了各種改性尼龍。目前已報(bào)道的PA的生物降解途徑有兩種：水解途徑和氧化分解途徑。來自黃桿菌屬、假單胞菌屬、節(jié)桿菌屬及壤霉菌屬等微生物的水解酶有催化PA低聚物水解的活性。黃桿菌屬體內(nèi)的三個(gè)基因nylA，nylB和nylC能編碼兩種尼龍二聚體水解酶及一種尼龍寡聚物水解酶。Negoro等人解析了由壤霉菌屬nylC編碼的尼龍寡聚物水解酶的晶體結(jié)構(gòu)并證明四倍體突變體能水解多聚尼龍，但尼龍水解酶是否能在合適的時(shí)間段內(nèi)大量分解PA還需證明。人們發(fā)現(xiàn)白腐病菌P.chrysosporium 和黑管菌能以多聚物作為唯一的氮源供應(yīng)菌絲生長。相較于PA6和PA66，nylon-4在土壤和淤泥中的生物分解快且簡單，假單胞菌屬分泌的胞外水解酶參與nylon-4的分解過程。

聚氨酯（Polyurethane，PUR）是一類多元醇和聚異氰酸酯反應(yīng)生成的由氨基甲酸酯鏈鏈重復(fù)單元相連的聚合物。常被用于制作各種軟/硬泡沫塑料。其多元醇基元控制PUR的可生物降解性，聚醚多元醇增加降解難度，聚酯多元醇使材料對微生物作用更敏感。研究發(fā)現(xiàn)，酯酶和蛋白酶都參與了酯鏈的分解。Russell等人從植物內(nèi)生菌中分離出擬盤多毛孢屬的兩種菌通過一種絲氨酸水解酶參與分解PUR。2017年中科院昆明植物所許建初課題組分離并鑒定到一株名為塔賓曲霉菌的真菌，能通過酯酶及脂肪酶等破壞聚氨酯分子間化學(xué)鍵，并在菌絲的物理強(qiáng)度輔助下降解聚合物，在聚氨酯表面生長，電子顯微鏡SEM及傅立葉變換衰減全反射紅外光譜ATR-FTIR等觀測分析結(jié)果清楚可見PU被降解，條件合適時(shí)兩個(gè)月后可見聚氨酯基本消失。PUR的生物降解研究比較深入，能被微生物降解的一般為聚酯型PUR，相關(guān)基因和酶也被不斷發(fā)現(xiàn)，降解產(chǎn)物因微生物不同而有差異。Cosgrove等人已嘗試構(gòu)建生物促進(jìn)和強(qiáng)化技術(shù)系統(tǒng)對土壤環(huán)境中的PUR進(jìn)行加速降解處理，降解聚酯PUR效率明顯提高。

聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是由對苯二甲酸與乙二醇縮聚而成的帶有芳香環(huán)的聚脂纖維，俗稱滌綸樹脂。分子結(jié)構(gòu)高度對稱，具有很好的光學(xué)性能、耐摩耗性。PET常用于生產(chǎn)紡織業(yè)的合成纖維以及礦泉水瓶、碳酸飲料瓶等。PET耐候性強(qiáng)，可長期存在于環(huán)境中。曾經(jīng)德國將PET廢瓶回收后送往中國制成粗呢毛衣，印度也加緊生產(chǎn)出合格再生PET，日本研制出回收再生PET改性劑，解決了部分PET回收利用技術(shù)問題。長期以來作為一種高熔點(diǎn)芳香酯，PET被人們認(rèn)為不可被生物降解。然而，Muller等人后來發(fā)現(xiàn)一種來自嗜熱性放線菌Thermobifida fusca的水解酶在55℃條件下3個(gè)星期內(nèi)能使低結(jié)晶的PET薄片質(zhì)量減少50%。隨后大量的研究涌向PET回收或纖維改性等潛在工業(yè)應(yīng)用方向。Yoshida等人發(fā)現(xiàn)Ideonella sakaiensis 201-F6在30℃下6個(gè)星期能完全降解低結(jié)晶度PET薄膜，該菌株產(chǎn)生的兩種酶能將PET分解為小分子物質(zhì)。研究表明，降解溫度越接近底物的玻璃化溫度75℃，降解效果越好。但是環(huán)境溫度通常遠(yuǎn)低于這一溫度，是環(huán)境PET生物降解的一大難題。PET的生物降解表現(xiàn)出與其它天然多聚物如纖維素解聚作用的相似性。結(jié)晶性高低是生物降解作用的關(guān)鍵影響因素，結(jié)晶度越高越難降解。

5.2 不可水解的塑料的生物降解

不可水解的塑料包括聚乙烯（Polyethylene，PE）、聚丙烯（Polypropylene，PP）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS）和聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）。與可水解塑料的分子結(jié)構(gòu)不同，不可水解塑料不含能被水解的化學(xué)鍵，它們的主鏈完全由未連接活沷反應(yīng)基團(tuán)的C-C鍵構(gòu)成，微生物似乎只能選擇采用氧化還原策略將這些多聚物降解成小分子物質(zhì)后再同化利用。人們在研究木質(zhì)素的降解過程中發(fā)現(xiàn)了許多過氧化物酶，且其中的MnP還能降解多種無水解鍵的腐殖質(zhì)和褐炭等物質(zhì)，為人們尋找不可水解塑料的氧化降解酶提供了靈感。

聚乙烯（PE）是目前合成最廣泛的多聚塑料之一，由乙烯單體聚合而成，其性能取決于聚合方式。根據(jù)分子量大小和鏈結(jié)構(gòu)可分為高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、線性低密度聚乙烯，常用在塑料袋、農(nóng)業(yè)用膜（大棚、地膜）、吹塑、注塑等工業(yè)及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。聚乙烯化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，室溫下可耐稀酸腐蝕，但不耐強(qiáng)氧化腐蝕。長期暴露于空氣中或陽光下會老化甚至粉化，但徹底分解也困難。能降解PE的微生物以細(xì)菌和真菌為主，來自Rhodococcus ruber和Trametes versicolor兩種微生物的漆酶可分解聚乙烯。Paco等人發(fā)現(xiàn)一株海洋真菌Zalerion maritimum，F(xiàn)TIR，NMR和SEM等方法的結(jié)果證明它在無機(jī)鹽培養(yǎng)基中具有降解PE的作用。

聚丙烯是全球使用第二廣泛的合成塑料，其主鏈各亞基上的甲基排列在同側(cè)的稱為等規(guī)聚丙烯，是工業(yè)生產(chǎn)的PP的主要形式，結(jié)構(gòu)規(guī)整，高度結(jié)晶化，熔點(diǎn)可達(dá)160℃之上，耐熱、耐腐蝕。Artham等人發(fā)現(xiàn)PP樣品在海水中1年后質(zhì)量只減少了0.65%，Arkatkar等人發(fā)現(xiàn)PP在土壤中1年后質(zhì)量只減少0.4%，但在他們的研究中經(jīng)過熱預(yù)處理的PP樣本質(zhì)量可減少10.7%，被降解的PP樣本中存在桿菌Bacillus flexus，說明氧化預(yù)處理對PP的生物降解效果非常重要。另外，人們發(fā)現(xiàn)一些真菌具有降解PP的能力，1年內(nèi)真菌P.chrysosporium和Engyodontium album 能使經(jīng)過UV預(yù)處理的純PP或混金屬PP降解達(dá)10%以上。

聚苯乙烯（PS）是苯乙烯單體的聚合物，玻璃轉(zhuǎn)化溫度高于100℃，常被用作耐熱的一次性容器，如一次性飯盒等。無添加的聚苯乙烯無毒但脆性較大，耐堿耐鹽，不耐氧化，熱及氧化條件下易老化。對聚苯乙烯生物降解的研究一直在進(jìn)行，但大部分的降解試驗(yàn)中PS質(zhì)量損失非常少，表明PS幾乎不能被微生物分解。自我國中學(xué)生陳重光發(fā)現(xiàn)黃粉蟲啃噬聚苯乙烯泡沫塑料后國內(nèi)外不斷有團(tuán)隊(duì)開展有關(guān)黃粉蟲消化PS的機(jī)制的研究。Yang等人發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯飼喂的黃粉蟲幼蟲糞便中PS長鏈發(fā)生解聚，證明了腸道微生物對PS分解起主要作用，分離出一株能以PS為唯一碳源的微小桿菌Exiguobacterium sp.YT2，在液體培養(yǎng)60天能降解7.4%±0.4%的聚苯乙烯?？追嫉热藦膰?0天PS的黃粉蟲幼蟲糞便中分離出能以PS為唯一碳源的兩株好氧菌及一株真菌，以真菌Aspergillus niger KHJ-1降解性能較好，反應(yīng)60天可降解PS質(zhì)量的4.29%。

聚氯乙烯（PVC）是氯乙烯單體的聚合物。PVC本身對光和熱的穩(wěn)定性差，實(shí)際應(yīng)用中常加以穩(wěn)定劑并進(jìn)行改性后成為商品。PVC受熱50℃以上能釋放氯化氫，燃燒能釋放致癌物二噁英。氯雜原子的存在是其難以被生物降解的最可能原因。Otake等人發(fā)現(xiàn)埋在土壤中32年之久的PVC沒有明顯的生物降解現(xiàn)象。Santana等人Ali等人從土壤中發(fā)現(xiàn)了能在PVC薄膜上生長的真菌，PVC薄膜的質(zhì)量和PVC的分子量都有少量減少，掃描電鏡觀察加上傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜和核磁共振分析表明PVC的結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化。

6 討論與展望

目前海洋微塑料污染愈發(fā)嚴(yán)重，已成為全球性污染事件，但有效的治理方法欠缺，主要實(shí)行以防為主的策略，從管理層面入手，杜絕更多污染。各國出臺了各種各樣的限塑令，智利已施行全面禁塑令。對已產(chǎn)生的塑料污染，物理、化學(xué)、自然降解方法各有其缺點(diǎn)，且海洋環(huán)境下這些方法的有效性進(jìn)一步被削弱;微生物對塑料的降解效果與不同種類塑料本身的超分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、反應(yīng)的環(huán)境條件等密切相關(guān)，現(xiàn)有的生物降解方法也存在效率低、降解條件和菌種對海洋環(huán)境適應(yīng)性不明、菌種數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的諸多限制因素。研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可分解不同類型塑料人微生物及酶，但應(yīng)用微生物治理海洋微塑料污染還需對生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，以確保在處理微塑料污染時(shí)不會產(chǎn)生其它負(fù)面影響。

未來在海洋微塑料治理方面，應(yīng)繼續(xù)加大對能降解微塑料的環(huán)境微生物的開發(fā)利用。如利用已發(fā)現(xiàn)的微生物降解酶信息，從已有的生物信息數(shù)據(jù)庫中挖掘有用的微生物資源;或利用目前的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在海洋微塑料富集水域采集樣品進(jìn)行篩選分離新型微生物降解菌種;還可加大對微生物降解塑料機(jī)理的研究，明晰其相關(guān)代謝途徑，考慮使用生物技術(shù)手段改造可降解微塑料微生物或酶，提高其降解效果。有了高效分解塑料的酶和微生物后還要建立能的海洋環(huán)境實(shí)際應(yīng)用的整套技術(shù)體系。此外，微塑料很難被收集，分布也較為分散，尋求有效方法將海洋微塑料進(jìn)行相對富集可能也有助于微塑料污染的治理。

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