聚氨酯塑料生物降解的研究现状

江志通，陈 雪，闫 新，李周坤，曹 慧，崔中利

(南京农业大学 生命科学学院 农业农村部农业环境微生物重点实验室，江苏 南京 210095)

聚氨酯(PUR)，全名为聚氨基甲酸酯，是一种由多元醇和多异氰酸酯合成的高分子有机化合物。由Bayer博士在1937年首次合成出来，随着美国工业的迅速发展，第一个弹性PUR泡沫由Zaunbrecher 和Barth于1942年合成[1]。从20世纪50年代开始，PUR在工厂进行大规模生产至今[2]。2020年，全球PUR市场规模价值706.7亿美元[3]，PUR生产量占塑料的6%，是继聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)之外的全球第六大聚合物[4]。

聚氨酯可用于制造PUR塑料(以泡沫塑料为主)、PUR纤维(俗称氨纶)、PUR橡胶及弹性体[5]。与PVC发泡材料相比，软质PUR因其热塑性的线性结构，具有更好的稳定性、耐化学性、回弹性和力学性能，隔热、隔音、抗震及防毒性能良好，常用作包装、隔音和过滤材料。硬质PUR塑料质轻，隔音和绝热性能优越，耐化学腐蚀，电性能好，易加工且吸水率低，主要用于建筑(建筑泡沫、发泡剂)、交通运输(隔热海绵)、家电(冰箱的隔热层、空调的保温管)等领域的结构材料。PUR弹性体性能介于塑料和橡胶之间，耐油、耐磨、耐低温、耐老化、硬度高且有弹性，主要用于制鞋(制造鞋面和皮革)、医疗(制造透析管和人造皮肤)和体育(塑胶跑道和篮球场地的铺设)等方面。PUR还可以制作黏合剂、涂料(汽车、飞机等交通用具的表面涂层)、合成革等[6]，PUR类塑料因其良好的性能已被广泛应用于不同领域和人们的日常生活中(图1)。

图1 PUR类塑料的应用领域及代表性实例

PUR塑料在给人们生活带来便利的同时，也引起日益严重的环境污染和资源浪费等问题。大量的塑料废弃物丢弃在自然环境中，不仅本身就是一种严重的碳资源浪费，同时也给环境带来严重的负担，甚至是生态灾难。同时，当PUR塑料暴露在环境中时，各种环境因素(如阳光、O2、热力、空气、风、雨、尘埃、水、化学污染和微生物等)共同作用可能导致其降解[7]，从而释放出诸如4，4′-亚甲基二苯胺(MDA)和2，4′-甲苯二胺(TDA)等有毒物质[8]，随着它们在环境中的积累会产生生态毒理性，毒害生态系统中的各种生物，最终通过食物链积累威胁着动物及人类健康，进而造成二次危害。与此同时，在环境因素的作用下，PUR塑料能形成1 μm～5 mm的微塑料，近年来微塑料已被证实可以在微生物、动物与植物体内富集，严重威胁着人类健康。因此，建立有效的处理方法，实现对废弃塑料的合理处理和再利用，对于动物健康和环境保护均具有重要意义。

目前，对PUR废弃塑料进行处理的方法主要包括填埋、焚烧、机械回收以及物理化学再处理等。然而，这些传统方法存在难以解决的弊端。相较于其他塑料，PUR废弃塑料密度较小，集中填埋会占用大量土地，导致土地资源的浪费[9]。焚烧虽然简单且不占用土地，但会增加碳排放，且焚烧产生的有害气体会造成空气污染。机械回收已成为废弃塑料资源利用的重要手段，然而回收后的PUR碎片只能用作玩具、枕头等的填充物或作为后续过程中的基底(二次机械回收和原料回收)[10]，而且二次利用的范围有限。相较之下，利用生物手段实现PUR废弃物生物降解被视为是一种环境友好、反应条件温和的废弃塑料处理方法，且可实现废弃塑料资源的高值化再利用[11]。本文首先综述了PUR的化学结构和PUR降解性微生物的筛选方法，然后总结了PUR降解微生物和降解酶的研究现状以及评价其降解效果的方法，最后对PUR生物降解研究目前遇到的挑战进行了分析与展望，以期为推进PUR生物降解研究提供参考。

1 PUR的化学结构

PUR由带有2个或多个羟基基团的醇(多元醇)和带有两个或多个异氰酸酯基团的异氰酸酯(多异氰酸酯)分步聚合而成[12]。作为合成聚氨酯的起始原料，多元醇和多异氰酸酯的官能度至少为2。合成PUR的反应通式如图2所示。PUR的特点是在其主链上有重复的氨基甲酸酯键，由于其易于在温和条件下合成而被广泛开发使用。在工业上，合成和配制PUR的主要材料有多元醇、多异氰酸酯、表面活性剂、催化剂、发泡剂和添加剂等。在结构组成方面，多元醇主要负责PUR的柔性部分，使PUR具有弹性，过量添加能使PUR更具亲水性；多异氰酸酯则主要负责PUR的刚性部分，过量添加能使PUR更具刚性和疏水性[12]。目前，工业上常用来生产PUR类塑料的多元醇和多异氰酸酯如表1[13]和表2[14-19]所示。在PUR的制备过程中需要催化剂提高多元醇与多异氰酸酯之间的反应活性，同时使反应能在温和条件下进行。使用发泡剂能给反应提供泡沫，以控制PUR内泡孔的结构和形态。表面活性剂则负责改善多元醇和多异氰酸酯的分散，确保反应体系均匀，并在固化过程中通过减少泡孔坍塌来稳定泡孔的结构。此外，在反应过程中需要额外的添加剂为塑料提供一些特定性能，如阻燃性、燃烧过程中的烟雾抑制、颜色、抗紫外线性以及提高力学强度等[13]。

表1 工业上制造聚氨酯塑料常用的多元醇类别[13]

表2 生产聚氨酯塑料常用的多异氰酸酯

图2 官能度为2的多元醇和多异氰酸酯合成PUR的反应通式

2 PUR类塑料降解菌的筛选方法

对于筛选PUR降解菌，选择合适的筛选底物尤为重要。目前，在报道PUR降解菌的文献中，用于PUR降解菌筛选的底物主要有3种：聚酯-PUR颗粒分散体、PUR实体(弹性体、薄膜、泡沫等)以及低分子量的PUR基模型分子[8]。

2.1 基于聚酯-PUR颗粒分散体的透明圈和浊度测定的筛选方法

聚酯-PUR颗粒分散体是筛选PUR降解菌的研究中使用最为广泛的筛选底物，尤其是Impranil®DLN。Impranil®DLN是一种阴离子型的脂肪族聚酯-PUR颗粒分散体，呈乳白色悬浊液，含有约40%的聚合物颗粒，颗粒大小约为0.1～0.2 μm，由Covestro公司(德国)商业化，应用于纺织涂层。Impranil®DLN的结构与组成尚不十分清楚，Biffinger等[20]提出了一种基于聚己烷/己二酸新戊基聚酯和1，6-亚己基二异氰酸酯(HDI)的初步结构，认为二甘醇也是Impranil®DLN的一种组成成分[21]。PUR降解菌在用Impranil®DLN制成的固体平板上生长，能在菌落周围形成透明圈，因而被广泛应用于PUR降解菌的筛选。Impranil®DLN的降解会使添加了Impranil®DLN的培养液变得透亮，因此常与分光光度计结合，作为筛选PUR降解菌的辅助手段。然而，浊度测定存在蛋白质的相互作用导致光密度下降的可能性，从而使菌株筛选过程中存在假阳性[22]。同时，由于Impranil®DLN中的酯键多于氨基甲酸酯键，因此筛选出的PUR降解菌多数可能只能分泌酯酶，而非氨基甲酸酯酶。总之，先用Impranil®DLN进行初筛，再设置使用其他筛选底物的独立实验进行二次筛选，在开展PUR降解性微生物的高效筛选过程中具有良好的可行性。

2.2 基于PUR实体的筛选方法

为了筛选出对实际的PUR类塑料产品有良好降解效果的微生物，研究者在微生物筛选过程中使用弹性PUR、PUR泡沫或PUR薄膜等PUR实体塑料为基质来筛选PUR降解菌。此类筛选方法通常以处理前后塑料产品的质量损失率作为筛选标准以判断微生物的降解效果。Magnin等[23]用PCL基热塑性聚氨酯(TPUR)、脂肪酸二聚体基热塑性聚氨酯、聚醚基热塑性聚氨酯和聚(酯醚)基热塑性聚氨酯对以Impranil®DLN为底物初筛过后的菌种进行二次筛选，筛选出链格孢属菌株 P2a1、青霉属菌株 MMP3b 及曲霉属菌株 MMP31；再经过两个月的生物降解减质量实验发现，以PCL基热塑性聚氨酯为底物时，P2a1、MMP3b和MMP3c1的塑料质量损失率分别为3.2%、8.9%和1.5%，而以脂肪酸二聚体基热塑性聚氨酯为底物时相应的塑料质量损失率分别为1.7%、1.3%和1.8%。

除此之外，有一些研究者在以聚氨酯实体为唯一碳源的环境下进行微生物的富集筛选。Khan等[24]通过筛选能在PUR薄膜表面定植的真菌，并将其重新接种到SDA平板上培养，最终筛选获得1株能够降解聚酯类PUR的塔宾曲霉。Osman等[25]通过PUR薄膜表面定植生长实验，最终从垃圾倾倒场的土壤中筛选出1株曲霉属菌株S45。由于PUR实体的表面官能团、疏水性、结晶度和分子量分布等理化性质更接近实际的PUR产品，所以使用这种手段筛选出的PUR降解菌对真实PUR的降解效果往往要优于其他的筛选方法。但是，该种筛选方法周期较长，筛选效率较低。

2.3 基于低分子量的PUR基模型分子的筛选方法

低分子量PUR基模型分子是模拟PUR部分化学结构的模式分子，它含有PUR的氨基甲酸酯键，是研究PUR降解菌/降解酶基本性质的理想材料。研究者通常会使用相应的单体原材料自行合成低分子量的PUR模型分子，其清晰的化学结构使得研究者能够利用质谱、液相色谱等手段高效检测PUR的降解产物，从而为解析PUR的降解途径提供较为充分的证据。Akutsu-Shigeno等[26]使用甲苯-2,4-二氨基甲酸二丁酯(TDCB)作为唯一碳源，成功从近350份土壤样品中成功分离到1株马红球菌(Rhodococcusequi)TB-60，并利用所设计的含有氨基甲酸酯键的PUR基模型分子——亚甲基联苯二氨基甲酸二丁酯(MDCB)和六亚甲基二氨基甲酸二丁酯(HDCB)为底物，对从该菌中分离纯化出的PUR水解酶的酶学性质进行了分析，成功检测到TDCB的水解产物甲苯二胺(TDA)和另一水解产物的衍生物4，4′-二氨基二苯甲烷以及MDCB的水解产物亚甲基联苯二胺和HDCB的降解产物己二胺(HDA)。值得注意的是，虽然使用PUR基模型分子能够部分表征PUR降解菌/酶的作用机制，但是所获取的候选降解菌/酶对PUR实体的降解效果还需要进一步验证。

3 PUR降解菌的种类及特性

目前，已报道的PUR降解菌主要是细菌和真菌[27-39](表3)，其中细菌中的PUR降解菌大部分属于假单胞菌属和芽孢杆菌属，真菌则以曲霉属和青霉属居多，放线菌和酵母则相对较少。所筛选分离获得的细菌通常在37 ℃条件下培养，真菌的培养温度一般为25～37 ℃。此外，因为真菌的菌丝能侵入PUR的内部，并能分泌丰富的胞外活性酶类，使得真菌的PUR降解效果一般要优于细菌。lvarez-Barragán等[30]发现了一株能够降解PUR的极细枝孢霉(Cladosporiumtenuissimum)A2.PP.5，该菌能够在外源的碳氮源辅助下，21 d内使不含阻燃剂的PE-PUR泡沫质量减少达到65%。Khan等[24]研究发现，在室温条件下，将塔宾曲霉(Aspergillustubingensis)置于含20 g/L葡萄糖的无机盐培养基(MSM)中，2个月内可以将约90%的 PUR 膜降解。相比之下，细菌对PUR类塑料的降解能力普遍较弱，大部分只能对Impranil®DLN具有较好的降解能力。由此可见，自然环境中真菌在废弃PUR塑料的生物降解过程中可能发挥着重要的作用。

与单一菌株相比，混合菌群在PUR降解中表现出良好的降解效果，微生物菌群在降解天然聚合物和外来生物物质方面甚至比单一纯菌更有效[40]。Shah等[41]发现，以PUR薄膜为唯一的碳源的情况下，菌株MZA-75和MZA-85共培养组的PUR薄膜的质量减少速率显著大于单一菌株培养组。此外，Fernandes等[41]发现黑曲霉(Aspergillusniger)ATCC1604 和铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)ATCC9027共培养时能够协同互作，增强对热塑性PUR弹性体橡胶材料的降解效果。由此可见，微生物菌群在降解聚氨酯塑料方面也发挥着重要的作用。不过微生物菌群结构复杂，菌株之间的相互作用以及菌群群落稳定性等问题也影响了合成菌群在塑料生物降解方面的实际应用。

4 PUR降解酶

基于塑料高分子特殊的分子结构，塑料的微生物降解主要依赖于所分泌的相关酶类。由于工业使用的PUR类塑料中普遍存在氨基甲酸酯键、酯键、酰胺键、肽键等，目前已报道的具有PUR降解效果的降解酶(表4)主要包括：脂肪酶、酯酶、脲酶、酰胺酶和蛋白酶等[26，42-49]。而具体降解机制则由于 PUR 种类、菌株自身特性及环境条件等不同而存在差异[23]。

表4 聚氨酯降解酶

4.1 脂肪酶

脂肪酶是丝氨酸水解酶家族的一员，其特点是具有降解长链甘油酯的能力[13]。部分脂肪酶能够水解PUR中的酯键产生相应的酸和醇。Ng等[50]研究发现，猪胰腺脂肪酶对棕榈油多元醇基的多孔泡沫具有降解效果。同时，Hung等[51]和Nadeau等[52]从蛋白原假单胞菌(Pseudomonasprotegens)Pf-5中鉴定出2种具有PS-PUR降解活性的脂肪酶——PueA和PueB，研究后发现是蛋白原假单胞菌在PUR表面定植形成生物膜的关键酶。

4.2 酯酶

酯酶在自然界中广泛分布，在生命体的脂质代谢和蛋白质生物合成过程中发挥重要的作用。因此，相较于其他化学键，PUR中酯键的生物敏感性更高，使得酯酶成为降解聚酯类PUR塑料的主要酶类[53]。酯酶对于PUR中的酯键和氨基甲酸酯键均具有水解活性，前者被水解为相应的醇和羧酸，后者被水解成相应的醇、胺和CO2。目前，已发现多种能够降解PUR类塑料的酯酶。Schmidt等[47]利用基因合成与表达技术成功纯化出酯酶LCC、Tcur0390 和Tcur1278。2017年，Ufarté等[43]从牛瘤胃微生物群中分离出26个具有酯酶活性的克隆，并从中分离出1种新的酯酶CE_Ubrb，具有氨基甲氨酯和聚氨酯降解活性。此外，来源于食酸丛毛单胞菌(Comamonasacidovorans)的酯酶PudA和分离自荧光假单胞菌(Pseudomonasfluorescens)的酯酶PulA也具有一定的PUR降解效果[44]。

4.3 脲酶

与其他酶类相比，脲酶更适合降解富含脲键的聚醚型PUR，通过水解聚醚型中的脲键产生相应的胺和CO2。然而，脲键是PUR中的顽固化学键，目前关于脲酶参与PUR类塑料生物降解的研究报道较少。

4.4 蛋白酶和酰胺酶

由于蛋白酶和酰胺酶较低的底物特异性，蛋白酶和酰胺酶能水解PUR中的肽键或氨基甲酸酯键的肽键部分，前者产生羧酸和醇类物质，后者则水解成醇类、胺类物质和CO2。Phua等[54]将聚醚PUR弹性体薄膜与植物蛋白酶木瓜蛋白酶在37 ℃条件下处理1～6个月后，经凝胶渗透色谱法(GPC)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析显示聚氨酯键发生了一定程度的水解。然而，极长的处理时间表明木瓜蛋白酶的降解效率极低。

单一种类的PUR降解酶只能对PUR中有限的化学键进行攻击，而实际的PUR产品往往具有多种可供水解的官能团，如聚酯型PUR含有较多的酯键和肽键，而聚醚型PUR含有较多的醚键和酰胺键等高度顽固键。因此，根据PUR的塑料类型，选择不同类型的塑料降解酶进行协同降解能够达到更好的效果。Magnin等[45]发现，在PUR的降解过程中起主要作用的酯酶和针对PUR中酰胺键的酰胺酶共同作用于热塑性PUR，能增加PUR中聚氨酯键的水解效率，达到协同增效的作用。

5 PUR生物降解效果的评估

为了准确测定PUR生物降解的效率，分析塑料理化性质的变化、微生物生长以及塑料降解产物的产生等至关重要。目前对于包括PUR等不同类型塑料的结构分析手段主要包括以下方法。

5.1 PUR在生物降解过程中物理化学性质的变化

由于PUR分子量的变化、机械完整性的丧失、质量的损失、关键化学键的断裂等性质的变化可以通过质量法、形态观察法(扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM))、光谱技术(FTIR、核磁共振(NMR)、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS))、力学测试(拉伸和压缩测试)和热力学分析(热重分析(TGA)、差示扫描量热仪(DSC)分析)等方法进行评价，因此，目前表征生物处理前后塑料分子理化性质的变化已成为研究塑料生物降解的主要手段。

PUR的质量损失通常被认为是生物降解的直接证据[26]。虽然减质量法较为简便，但是无法应用于涂料类的PUR实验材料，而且由于处理周期长(通常30～60 d)，降解过程中产生的微小碎片也难以从实验系统中回收。此外，PUR实体聚合物质量损失率太低，难以真实反映生物降解的程度[54]。可见，以质量损失来衡量生物降解效率有一定的局限性。

PUR表面形貌的结构完整性是证明生物降解的另一个有力证据。通过扫描电子显微镜可以清楚地观察到PUR的表面形貌由于生物降解产生的孔洞、裂缝等侵蚀现象[26,53]。透射电子显微镜主要用于观察微生物对PUR内部的侵入及同化现象。

物理性质(抗压和抗拉强度及伸长率)的变化也用于监测PUR生物降解[59]，因为生物降解会导致抗压力、抗拉力等力学性质的改变。这些材料测试方法的局限性在于需要大量材料来制备标准样本。此外，PUR结构和物理性质的多样性限制了力学行为变化与PUR生物降解程度之间的相关性。

由于PUR生物降解会伴随聚合链间网络的破坏及交联度的降低，PUR热稳定性被改变，所以可通过TGA评估PUR的生物降解。然而，TGA对监测PUR生物降解(生物降解)的第一步用处较小，因为额外的交联和形成更热稳定的PUR结构可能与聚合物网络断裂同时进行[60]。相比之下，与PUR网络结构破裂和低分子量产物释放相关的生物裂解过程可以通过TGA轻松监控(并粗略量化)。

GPC可以监测PUR各部分的分子量变化情况，显示PUR的解聚效果。但是，不溶于任何试剂的PUR无法使用该方法进行评估，实际的应用范围受到限制。研究者往往需要自行合成低分子量(聚合度)的PUR实验材料。

5.2 PUR生物降解产生的降解产物

为了解析塑料生物降解的机制，对其降解产物的鉴定至关重要。目前，色谱技术(如液相色谱(LC)、高效液相色谱(HPLC)、气相色谱(GC)和GPC等)常用于检测PUR的低聚物及其降解产物，质谱(MS)技术和色谱技术联用往往能起到更好的检测和产物定量分析效果。

通过色谱技术与质谱技术分析可以准确监测实验系统中产生的PUR降解产物，从而间接证明PUR的生物降解。因为该技术检测PUR降解产物首先需要明确所使用的PUR材料的准确化学成分及结构式，所以研究者应使用化学信息明确的PUR材料或者自己设计合成PUR材料。

5.3 PUR表面或内部微生物的动态变化

微生物同化或矿化PUR的过程伴随O2的吸收和CO2的释放，与此同时，微生物的生长情况也会随之变化，可分别通过呼吸测量法和显微镜观察或生物量测量法对生物降解过程微生物的动态变化进行评估。

6 结语与展望

塑料生物降解的关键在于高效的生物资源，目前，关于PUR塑料生物降解的研究主要集中在降解菌的筛选、相关酶的挖掘与改造以及酶作用机制阐明等方面。然而，由于目前已发现的降解菌或酶在实际PUR塑料降解过程中存在效率较低、环境适应性差、工业环境兼容性弱等问题，PUR生物法降解与高值化再利用离工业需求还存在较大的差距。

针对利用微生物解决PUR塑料污染与资源处理等问题所面临的诸多困难与挑战，需要从以下几个方面开展深层次的研究。

1)高效PUR降解生物资源的挖掘。因为聚氨酯生产历史较短，目前的研究缺乏足量的PUR降解菌、PUR降解酶及其基因资源。因此，需要结合高通量筛选、宏基因组学以及人工智能等多种技术开展高效降解菌与酶的筛选与设计，并利用合成生物学手段对现有的降解菌进行升级改造。

2)提高PUR降解菌及降解酶对塑料的可及性。包括PUR塑料在内的不同类型塑料都高度疏水、结晶度高，微生物及其分泌的酶难以与塑料分子相结合。因此，提高生物酶对塑料的可及性是提高生物降解效率的重要方向。

3)多学科交叉实现废弃塑料合理处置与资源化利用。由于塑料高分子特殊的结构与性质，以生物降解作为唯一手段难以实现废弃塑料的高效利用。通过化学、材料学、生物化工以及微生物学等学科融合，建立从塑料前处理到应用小试到工程放大等技术体系，是实现废弃塑料资源再利用，解决废弃塑料环境污染和资源浪费的有效方法。

目前，国内外科研工作者针对PUR塑料生物降解已开展了诸多研究工作，所获得的研究成果表明，生物降解在PUR类废弃塑料合理处置方面具有很好的应用潜力。在丰富的生物资源积累和多学科交叉融合的基础上，塑料的生物降解及高值化将在实现废弃塑料合理处置和白色污染治理等方面发挥重要的作用。