聚氯乙烯的生物学降解研究进展

胡浩然

（中南大学生命科学学院，湖南长沙 410012）

1 PVC废弃塑料危害

废弃塑料污染是世界性难题，并日益严重。根据Plastics Europe[1]报道，2018年全球大约生产了3.59亿吨塑料，以树脂型塑料需求推算聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PU）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）合成塑料占塑料使用的80%左右。其中，PVC是使用最广泛的塑料材料之一，约占总塑料使用量的10%，主要应用于建材市场，详见图1。

在环境基质中，PVC合成塑料降解得非常慢，产生了“白色污染”等环境问题[2]。PVC废弃塑料会污染土壤和水源，被冲刷进入海洋后，还会随着洋流漂流聚集，不仅影响海洋生物，破坏其栖息地生态系统，还会形成废弃塑料“岛屿”或被冲上沙滩，造成环境污染，破坏生态景观。而那些细小的塑料颗粒，通过食物链的层层传递甚至通过日常用水，最终进入人体内，危害人体健康[3-4]。因此，在处理PVC废弃塑料的同时，兼顾到环境保护，实现社会的可持续发展，成了当下亟待解决的问题。

2 目前PVC废弃塑料的主流处理方法

废弃塑料处理方法主要有焚烧处理、掩埋处理、热裂处理、降解处理和回收处理5种。目前对PVC废弃塑料的处理也主要使用这5种方法。现对这五种处理方法进行比较，结果如表1所示。

图1 2017，2018年欧洲塑料需求量和及各塑料的主要应用行业

表1 废弃塑料处理方法比较

由于前4种方法在处理塑料废物问题上都存在不同的问题，目前最好的处理应该是回收再利用处理。而再利用处理有很多策略，包括直接再生利用、物理改性、化学改性等[6-7]。结合各策略的局限性，科学家越来越关注生物处理策略，通过生物酶或微生物可以降解塑料废物，甚至回收塑料。

3 生物降解PVC国内外研究现状

3.1 从自然环境中筛选具有降解功能的微生物

近年来，已经发现了一些能够修饰或降解合成聚合物的微生物酶以及微生物生物催化剂在合成塑料PE、PS、PU和PET等降解中的作用，但对微生物降解PVC的国内外研究仍然较少，研究现状见表2。

真菌和细菌对PVC塑料都有降解作用，但真菌在降解过程中起主要作用。真菌对PVC塑料的降解效率一定程度上取决于其粘附性和菌丝的入侵性[13]。从实验结果来看，菌群的降解作用比单一菌种更好[12]，推测原因可能为菌群拥有更丰富的胞外酶，且不同菌之间可能有相互促进的共生作用。PVC由于链中氯原子的存在而具有负电荷大分子，使得偶极-偶极相互作用，其表面亲水性需要修饰，以允许生物相容性和细胞粘附，所以通常先对PVC进行预处理再让微生物来降解。

表2 生物降解PVC国内外研究现状

3.2 黄粉虫肠道微生物降解塑料

陈重光首次发现黄粉虫幼虫能取食塑料泡沫，沈叶红基于这一现象[14]，从取食聚苯乙烯塑料的黄粉虫幼虫肠道中分离出8种菌。Yang S S等人[15]收集了12个不同来源的黄粉虫，对其分别进行了PS降解测试，从而验证了黄粉虫普遍降解PS的假设，同时观察结果还为黄粉虫肠道微生物菌群降解PS提供了新证据。Yang等人用对肠道菌群有抑制作用的抗生素庆大霉素培养黄粉虫，发现黄粉虫解聚长链PS、矿化PS的能力受到抑制，从而首次报道了黄粉虫肠道内存在PS降解细菌。并以聚苯乙烯泡沫塑料为唯一碳源饲养黄粉虫，从其肠道中分离出13种纯细菌，筛选出微小杆菌Exiguobacterium，证实其在PS表面的生长导致PS的降解，但是降解效果不如肠道内[16]。Brandon A M等人[17]的实验结果首次证实了PE在黄粉虫肠道内的降解且降解速率与PS饲养的黄粉虫相当，从而证实了黄粉虫对于塑料降解不具特异性。因此，应将黄粉虫作为降解PVC塑料的研究对象，这对于废弃PVC污染的解决可能有帮助。

对于黄粉虫降解PVC的研究报道并不多。有研究者发现只喂食PVC的黄粉虫粪便晶体结构与PVC存在差异，表现在3 500 cm-1和1 650 cm-1的水平变角振动范围内形成了一个新的O-H拉伸振动带和一个O-H平面变角振动带，或添加了两个新的谱带C=O和C-O伸缩振动[18]。曹沁[19]等成功在摄食PVC的黄粉虫肠道中分离出6个菌种，其中PVC-4和PVC-6降解效果良好。

以黄粉虫作为研究对象，筛选其肠道内可降解塑料的微生物，相较于填埋法研究土壤中可降解塑料的微生物，具有降解速度更快、效果更显著、变量方便控制等优点。例如，在Yang等人[16]研究黄粉虫降解PS的实验中，24 h内即可观察到泡沫塑料被降解，16 d的时间47.7%被摄入的PS泡沫塑料被降解转化为CO2。同时发现，饲养黄粉虫的食物不同，黄粉虫肠道内的菌群也会有所不同，这有利于以PVC为唯一碳源筛选降解菌。在PS营养条件下存活并完成生长周期的黄粉虫具有良好降解PS的能力，这为选择性育种打开了大门[15]，表明可通过在PVC营养条件下养育黄粉虫而选择能良好降解PVC的黄粉虫品种。

4 PVC生物降解机制

目前，对于PVC生物降解的机制研究并不多，大多都只是停留在筛选出某种菌对于PVC具有降解作用。因为PVC碳碳骨架的化学稳定性和疏水性，目前还没有直接参与其降解的酶的报道。唯一能找到可能对其有作用效果的酶是漆酶[20]。漆酶（EC1.10.3.2）是一类氧化还原酶，具有氧化酚类化合物的能力。自从1883年，首次从日本漆树中提取出漆酶以来，人们就开始研究漆酶[21]。后又发现高含量的漆酶存在于很多真菌中，如Trametes sp、Cerrena maxima、Coriolopsis polyzona、Lentinus tigrinus等[22-24]，且参与了腐殖化过程，漆酶因此逐渐被开始应用到生物技术中。目前，漆酶在分解木质素、降解酚类物质和有毒污染物中的应用已较多[21]。Tirupati等人[20]用实验评估了旋孢腔菌用漆酶降解PVC的能力，进行了一系列实验确定此菌株产最大量漆酶的培养条件。在此条件下，以低分子量PVC为唯一碳源培养菌株，红外光谱对比纯PVC与菌株处理过的PVC，发现处理过的PVC双键断裂并产生了新的C=O键，结构的变化显示出PVC的降解。对比热解后的PVC产物（表3），菌株处理后的PVC产物也有芳香族化合物的产生（图2），进一步证明了PVC的降解。

图2 真菌菌株处理后的PVC色谱串联质谱图

表3 热裂质谱推测聚氯乙烯经微生物处理后的产物

如图3所示，结合已经研究得比较清楚的PET系列酶分解途径和漆酶实验中所得到的小分子产物（图2、表3），推测PVC在微生物酶作用下的分解途径链。酶①是整个反应的限速酶，主要将长链分裂为短链，相当于PET降解酶中的聚对苯二甲酸乙二醇酯乙烯水解酶（ISF6_4831）的作用[25]。不过ISF6_4831断的是酯键，针对PVC断的是C-C键，难度更大。目前尚无酶①被发现，漆酶可能起到酶①的作用，但具体机制未知，推测漆酶产物中的氧自由基可能对C-C键有攻击作用。在降解效率高的菌种中分离纯化鉴定酶①并解析其结构是了解分解机制的关键。经酶①反应后得到的大量短链经酶②降解成小分子，这里主要参考纤维素、木质素等大分子的降解途径推测。图中小分子终点的乙二醇、乙醇可以通过草酰乙酸盐代谢、乙酸代谢、乙醛酸代谢等途径被微生物作为碳源利用；小分子可能性有很多，基本都可以通过已知途径被微生物利用。在STITCH4.0数据库中查找与氯乙烯互作的蛋白如图4所示，他们的同源蛋白可能与聚氯乙烯的降解和途径中小分子的降解有关[26]。

5 结语

PVC具有多种重要的技术应用，在现代生活中使用越来越多。然而，由于氯化氢的释放，使其大量堆积在垃圾填埋场或被大量焚烧，危害环境，其废弃物的大量处理且不对环境造成污染成为目前亟待解决的问题。基于现有研究，将PVC的生物降解运用于实际的可行思路并总结如下。

图3 PVC生物降解途径推测

图4 氯乙烯互作蛋白网路

（1）继续筛选高效菌种或通过基因工程提高已知菌种的降解能力，以菌群+预处理的PVC混入发酵罐的形式批量处理塑料。这个方案可以重点关注真菌菌群，因为已知真菌的降解能力优于细菌，菌群的分解能力优于单一菌种。其优点为操作便捷，扩大规模快；其缺点是降解产物不利于回收，且发酵液中的pH、温度、有害产物需要维持或处理。

（2）继续探索降解通路中的几个关键酶，在找到关键酶后可以通过定向酶诱变技术，提高各关键酶的活性，用酶包埋法降解预处理的PVC。其优势在于降解得到的小分子可以回收再利用，而且反应环境容易控制；其不足为正常情况下包埋酶与PVC接触面积较小，此时必须对PVC做进一步的预处理并使用PVC更具溶解性的反应介质。

（3）运用大动物取代微生物发挥作用。在前两种方案中，主要着眼于细胞水平和分子水平来处理这个问题，但菌种或酶的制备及PVC的预处理都需要很大的财力物力，于是想到可以用大个体来处理PVC。以黄粉虫为例，可以将高性能的PVC降解菌植入黄粉虫体内，黄粉虫的咀嚼作用和前消化道的分泌液可以作为PVC的物化预处理，而黄粉虫的肠道为分解菌群提供了良好稳定的作用环境。

虽然目前已知的PVC降解菌和降解酶的效果都不尽如人意，但随着降解机制的逐渐明确、菌种的不断筛选和改良以及实用策略的应用，相信不久的将来可以通过生物方案为废弃PVC塑料的降解处理提供新的策略，从而降低对环境的污染，更好地保护人类和其他生物的栖息环境。