岳紋龍，周寧一，許 楹

(上海交通大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院 微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

塑料(“plastic”，源自希臘語(yǔ)“plastikos”，意思是可塑的)是一種人造的合成或半合成高分子材料[1]。1907年7月13日，Leo H.Baekeland為酚醛樹(shù)脂申請(qǐng)了專利，這是第一個(gè)人工合成的塑料，徹底改變了人們的生活習(xí)慣，推動(dòng)人類邁入塑料時(shí)代[2]。2020年，全球塑料年產(chǎn)量為3.67億t[3]。大多數(shù)塑料由化石燃料合成，包括聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚苯乙烯(polystyrene,PS)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)等聚烯烴類塑料及聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)、聚氨酯(polyurethanes,PUR)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)等不同類型的聚酯類塑料。目前，塑料的再生利用主要通過(guò)機(jī)械回收，只有19%的廢棄塑料能夠被回收利用，剩下的廢棄塑料中70%被填埋或者遺棄，另外11%則被焚燒處理[4-5]。目前塑料污染威脅著多種生態(tài)系統(tǒng)，并對(duì)許多動(dòng)物的物種造成破壞性影響[6]。微生物和酶的應(yīng)用是一種潛在與可持續(xù)的綠色方法，可以用來(lái)解決塑料污染的問(wèn)題。目前，關(guān)于PET塑料的生物降解研究及資源化利用已經(jīng)有很多的綜述文章[7-12]，同時(shí)CARBIOS 公司宣布將在法國(guó)化學(xué)谷建設(shè)PET 塑料酶法回收的工業(yè)示范工程，建立從PET 廢棄物降解到單體利用的完整工業(yè)鏈[13]。然而，對(duì)于同樣具有酯鍵結(jié)構(gòu)且廣泛應(yīng)用的聚碳酸酯塑料的生物降解及資源化利用的研究才剛剛起步。

1 聚碳酸酯塑料及其污染現(xiàn)狀和非生物降解

1.1 聚碳酸酯塑料簡(jiǎn)介

聚碳酸酯是一類化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有碳酸酯基團(tuán)的熱塑性聚合物，沒(méi)有獨(dú)特的塑料分類標(biāo)志(resin identification code，RIC)，在RIC列表中被識(shí)別為“其他”，分類為“7”，但它被廣泛用于醫(yī)用材料和電子設(shè)備等產(chǎn)品中。聚碳酸酯塑料根據(jù)其碳鏈的主鏈結(jié)構(gòu)可分為兩類，分別為脂肪族聚碳酸酯塑料和芳香族聚碳酸酯塑料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示。脂肪族的聚碳酸酯塑料的應(yīng)用并不廣泛，而芳香族聚碳酸酯塑料作為工程熱塑性塑料被廣泛使用[14]。雙酚A型聚碳酸酯(bisphenol-A polycarbonate,PC)是一種具有多種光學(xué)特性且應(yīng)用廣泛的芳香族聚碳酸酯塑料，通用電氣公司和拜耳公司于20世紀(jì)50年代將PC商業(yè)化[15]，這種聚合物由羰基(通常來(lái)源于光氣或碳酸二苯酯)與雙酚A(bisphenol-A,BPA)通過(guò)縮合反應(yīng)形成[16]。

圖1 脂肪族(a～d)和芳香族(e)聚碳酸酯的結(jié)構(gòu)

1.2 聚碳酸酯塑料污染現(xiàn)狀

PC塑料在各種工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如建筑、汽車、光學(xué)、醫(yī)療、包裝和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備[17]。2017年，PC年產(chǎn)量已達(dá)到400萬(wàn)t[18]，預(yù)計(jì)到2023年底將逐步增加到500萬(wàn)t[15]。然而大部分的PC塑料廢棄物都沒(méi)有被循環(huán)利用，最終被填埋或焚燒，或者直接丟棄到環(huán)境中。PC塑料一旦被丟棄，隨后在環(huán)境中經(jīng)歷風(fēng)化過(guò)程，特別是太陽(yáng)的紫外輻照，就會(huì)形成微塑料。Liu等[19]對(duì)我國(guó)39個(gè)城市的室內(nèi)和室外粉塵樣本進(jìn)行了采集和檢測(cè)，在大約70%的樣品中檢測(cè)到PC微塑料，同時(shí)評(píng)估發(fā)現(xiàn)嬰兒和成人每天通過(guò)粉塵攝入PC微塑料的量分別為7.37和0.5 ng/(kg·d)(以每千克體質(zhì)量每天吸入的量計(jì))。Zhang等[18]對(duì)美國(guó)65個(gè)污水處理廠的活性污泥樣本中PC微塑料進(jìn)行濃度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每克干活性污泥中含PC微塑料的量為0.70～8 400 μg。青藏高原南部海拔高于4 000 m的槍勇冰川中也發(fā)現(xiàn)PC微塑料的存在[20]。由于聚碳酸酯塑料的丟棄可能會(huì)對(duì)人體健康和環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)造成損害，因此在過(guò)去的幾十年里，PC塑料垃圾的清除已經(jīng)越來(lái)越引起人們的關(guān)注。研究表明，非生物降解包括光催化[21-23]、化學(xué)降解[15,24-25]、熱降解[17,26-30]和生物降解[31]的方法可以提高PC廢棄塑料的回收處理率[14,32]。

1.3 聚碳酸酯塑料的非生物降解

聚碳酸酯塑料的非生物降解包括光催化降解、化學(xué)降解和熱降解。

在光催化降解中，PC塑料可以通過(guò)自由基反應(yīng)達(dá)到光誘導(dǎo)自氧化，再進(jìn)行鏈誘導(dǎo)、增殖和終止。當(dāng)使用波長(zhǎng)小于300 nm的光時(shí)，更容易發(fā)生光-弗賴斯(photo-Fries)重排反應(yīng)，而當(dāng)使用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光(大于340 nm)時(shí)，光-氧化反應(yīng)更容易發(fā)生[21]。

化學(xué)降解PC塑料是通過(guò)水解、醇解、氨解和還原將PC塑料解聚得到可回收化學(xué)品的過(guò)程，解聚過(guò)程如圖2所示[15]。水解反應(yīng)：PC可水解為BPA和碳酸，而碳酸最終分解為CO2和H2O。醇解反應(yīng)：在超臨界或近臨界條件下堿催化PC廢棄物的醇解反應(yīng)。氨解反應(yīng)：以胺中的N為代表的親核試劑，可以利用廢棄的PC塑料合成有價(jià)值的尿素和其他衍生物。還原反應(yīng)：PC塑料中的碳酸酯官能團(tuán)易發(fā)生還原反應(yīng)。PC化學(xué)降解主要生成的物質(zhì)是BPA。

圖2 PC塑料通過(guò)水解、醇解、氨解和還原進(jìn)行化學(xué)回收(由Kim等[15]發(fā)表的圖片修改而成)

熱降解過(guò)程是一種先進(jìn)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，能夠從各種廢棄物和生物質(zhì)流中生產(chǎn)清潔、高熱值、有價(jià)值的產(chǎn)品。PC塑料的熱降解途徑：在熱降解的初始階段，PC在400～500 ℃的溫度下，環(huán)狀低聚物發(fā)生分子內(nèi)交換反應(yīng)，再水解生成酚端基和CO2，在更高的溫度(500～700 ℃)發(fā)生熱降解反應(yīng)涉及PC的分子重排或分解[17]。

2 聚碳酸酯塑料的微生物降解

化學(xué)處理的方式對(duì)PC塑料進(jìn)行降解，由于使用有毒的有機(jī)溶劑及昂貴的催化劑，這導(dǎo)致該工藝不僅需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分離，而且還會(huì)涉及一系列的環(huán)境和安全方面的問(wèn)題。光降解和熱降解也可以處理PC塑料，但其缺點(diǎn)在于產(chǎn)生了許多副產(chǎn)物[32]。目前，使用微生物降解塑料被認(rèn)為是一種環(huán)境友好的方法。PC塑料的土壤微生物降解及分析結(jié)果如表1所示[31,33-36]。

表1 降解聚碳酸酯塑料的土壤細(xì)菌和真菌

2.1 土壤細(xì)菌降解聚碳酸酯塑料

圖3 假黃單胞菌NyZ600降解PC的代謝途徑(由Yue等[31]發(fā)表的圖片修改而成)

2.2 土壤真菌降解聚碳酸酯塑料

研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的真菌可以生物降解PC塑料。如，念珠地絲菌(Geotrichumcandidum)可以通過(guò)產(chǎn)生孢子來(lái)腐蝕光盤(pán)，孢子會(huì)在光盤(pán)上鉆孔，使光盤(pán)失效[35]。Artham等[36]從土壤中分離出2種真菌菌株和1種商業(yè)白腐真菌(PhanerochaetechrysosporiumNCIM1170(SF2))，對(duì)未處理、紫外線和熱處理PC塑料的生物降解能力進(jìn)行了測(cè)試，并基于18S rRNA基因?qū)⒎蛛x的菌株鑒定為共附生白色側(cè)齒霉菌(EngyodontiumalbumMTP091(SF1))和青霉菌(Pencilliumsp.MTP093(SF3))。用白腐真菌SF2處理經(jīng)過(guò)紫外線照射過(guò)的PC塑料，一年后觀察到質(zhì)量損失了約5.4%，數(shù)均分子量(Mn)下降了40%，同時(shí)PC塑料膜表面能和氧含量的增加以及甲基指數(shù)的降低表明，在此期間PC塑料發(fā)生了氧化反應(yīng)。菌株SF1處理的PC顯示玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低15 ℃，表明聚合物鏈發(fā)生斷裂導(dǎo)致了聚合物的自由體積增加。然而，在研究過(guò)程中并沒(méi)有檢測(cè)到PC塑料的單體BPA，不過(guò)NMR和FTIR分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，紫外線預(yù)處理PC后導(dǎo)致在聚合物的鏈中形成了甲基基團(tuán)。

2.3 海洋微生物菌群降解聚碳酸酯塑料

海洋中的微生物菌群也可以降解PC塑料。Artham等[37]研究發(fā)現(xiàn)，在海水中的混合菌群也可以降解PC塑料，他們首先將PC樣品浸泡在孟加拉灣(印度，金奈)的海水中3個(gè)月后，在實(shí)驗(yàn)室控制的條件下，PC塑料與海洋混合菌群再進(jìn)行12個(gè)月的共培養(yǎng)，以研究PC塑料在微生物菌群介導(dǎo)下的降解能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在實(shí)驗(yàn)室條件下孵育1年后，PC塑料質(zhì)量損失率為9%，數(shù)均分子量降低了5%，并增加了分子量為930的低聚物，同時(shí)接觸角下降11%，表明表面親水性增加，玻璃化溫度降低了3 ℃，并從上清液中檢測(cè)到BPA。這些結(jié)果表明，PC塑料膜表面有新羥基的形成和碳酸酯鍵的斷裂，進(jìn)一步證明了海洋中的混合菌群可以生物降解PC塑料。Artham等[38]使用從印度孟加拉灣分離的混合海洋微生物菌群對(duì)PC塑料進(jìn)行為期1年的體外降解，采用元素分析(EA)、FTIR、GC-MS對(duì)降解過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，海洋微生物降解PC塑料過(guò)程中，檢測(cè)到BPA的代謝產(chǎn)物——4-羥基苯乙酮、4-羥基苯甲醛和4-羥基苯甲酸；通過(guò)質(zhì)量法和FTIR證實(shí)了PC發(fā)生了生物降解，甲基指數(shù)和羰基指數(shù)的下降分別表示聚合物的氧化和水解，二維核磁共振顯示芳香族C—C發(fā)生裂解。

2.4 聚碳酸酯塑料的降解酶

迄今為止，已經(jīng)有一些PC塑料的降解微生物被分離篩選出來(lái)，但對(duì)于微生物中PC塑料降解的關(guān)鍵基因和酶的研究還非常有限。Sivalingam等[39]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)溶劑中的PC塑料在不同溫度(26～70 ℃)下被真核來(lái)源的脂肪酶降解，如Candidarugosa(CR)、Hogpancreas(HP)、Lipolase(LL)和Novozyme(NV)。在各種有機(jī)溶劑中，使用凝膠滲透色譜(GPC)監(jiān)測(cè)PC塑料的降解反應(yīng)后發(fā)現(xiàn)，無(wú)論使用何種脂肪酶，所得寡聚體的重均分子量均約為1 400；聚合物降解前后的FTIR對(duì)比分析表明，碳酸酯鍵大量減少以及斷裂鏈中羥基和酸性基團(tuán)產(chǎn)生，最終發(fā)現(xiàn)，HP和其他脂肪酶的最佳溫度分別為50和60 ℃，HP在較低溫度下表現(xiàn)出較高的降解活性，脂肪酶的整體降解性(從大到小)順序?yàn)長(zhǎng)L、CR、NV、HP。同樣，Artham等[40]利用南極假絲酵母脂肪酶(CAL)、玫瑰假絲酵母脂肪酶(CRL)和豬胰腺脂肪酶(PPL)這3種不同來(lái)源的脂肪酶在水混溶的四氫呋喃(THF)和水不混溶的氯仿(CHCl3)中降解PC塑料，采用GPC和FTIR對(duì)降解過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)；與未加酶的對(duì)照相比，在THF使用PPL的處理組中可觀察到PC塑料的數(shù)均分子量減少了約60%，表明PC在PPL處理后發(fā)生了廣泛的解聚；所有實(shí)驗(yàn)的降解產(chǎn)物均為BPA和4-肉桂苯酚，表明脂肪酶對(duì)聚合物的作用是通過(guò)末端鏈斷裂，在THF中對(duì)PC的降解效率(從大到小)順序?yàn)镻PL、CAL、CRL，而在CHCl3中對(duì)PC的降解效率(從大到小)排序?yàn)镃RL、CAL、PPL。

3 聚碳酸酯塑料降解的潛在線路化設(shè)計(jì)

對(duì)聚碳酸酯塑料降解進(jìn)行線路化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)PC塑料廢棄物的降解。同時(shí)，建立從塑料降解產(chǎn)物到高值化產(chǎn)品的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)體系，不僅能推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還能有效節(jié)約石油、天然氣等不可再生資源，減少溫室氣體排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境[13]?；诨瘜W(xué)方法和微生物-酶法催化PC塑料水解反應(yīng)產(chǎn)生雙酚A(BPA)[15]及目前已研究報(bào)道的許多BPA降解菌[41-43]，可以對(duì)聚碳酸酯塑料降解進(jìn)行潛在的線路化設(shè)計(jì)，詳細(xì)路線見(jiàn)圖4。

圖4 聚碳酸酯塑料(PC)潛在的降解線路化設(shè)計(jì)

首先通過(guò)化學(xué)方法和微生物-酶法催化PC塑料水解反應(yīng)產(chǎn)生BPA[15]，進(jìn)而再通過(guò)細(xì)胞色素P450單加氧酶(CYP450)系統(tǒng)催化BPA中1個(gè)C原子的羥基化[44]，最終生成了1,2-雙(4-羥基苯基)-2-丙醇(1-BP)和2,2-雙(4-羥基苯基)-1-丙醇(2-BP)[44]。BPA羥基化產(chǎn)物2-BP可以進(jìn)一步氧化生成2,2-雙-(4-羥基苯基)-丙酸(2,2-BP)和2,3-雙(4-羥基苯基)-1,2-丙二醇(2,3-BP)，2,3-BP進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成4-羥基苯甲酸(4-HBA)和4-羥基苯甲酰醇(4-HPA)[45]，4-HPA在2,4′-二羥基苯乙酮雙加氧酶(DAD)催化下生成4-HBA[46]。然而另1個(gè)BPA羥基化產(chǎn)物1-BP，可以脫水生成4,4-二羥基-a-甲基二苯乙烯(4-DM)，然后進(jìn)一步裂解氧化成4-羥基苯甲醛(4-HBD)和4-羥基苯乙酮(4-HAP)[45]。4-羥基苯甲醛脫氫酶(PHBDD)可以將4-HBD脫氫反應(yīng)生成4-HBA[47]，至此，PC降解生成了2種廣泛研究的、易被微生物降解的單環(huán)芳香化合物4-HBA和4-HAP。

目前，在有氧條件下，4-HBA可以通過(guò)3條中心代謝途徑代謝后進(jìn)入TCA循環(huán)并被徹底降解。①原兒茶酸(PCA)代謝途徑：4-羥基苯甲酸羥化酶(POBA)催化4-HBA羥化反應(yīng)生成PCA[48-49]。②龍膽酸(gentisate,GA)代謝途徑：對(duì)羥基苯甲酰輔酶A連接酶(PhgC)催化4-HBA生成4-羥基苯甲酰輔酶A(4-HBC)的反應(yīng)，對(duì)羥基苯甲酰輔酶A羥化酶(PhgA)催化4-HBC轉(zhuǎn)化為龍膽酰輔酶A(GTC)的反應(yīng)，龍膽酰輔酶A硫脂酶(PhgB)可以將GTC轉(zhuǎn)化為龍膽酸(GA)[50]。③對(duì)苯二酚(HDQ)代謝途徑：在4-HBA-1-羥化酶(HDL)的作用下，通過(guò)羥基化和脫羧反應(yīng)4-HBA可以生成HDQ[51]。上述3種中間開(kāi)環(huán)底物(PCA、GA和HDQ)均可最終進(jìn)入TCA循環(huán)而被徹底降解。4-HAP則可以在4-羥基苯乙酮單加氧酶(HapA)的催化作用下通過(guò)Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)生成4-羥基苯乙酸酯(HPA)[52]，HPA在4-羥基苯乙酸酯水解酶(HapB)催化作用下形成HDQ[53]，并最終進(jìn)入TCA循環(huán)徹底降解。

通過(guò)潛在的降解線路化設(shè)計(jì)(圖4)，可以實(shí)現(xiàn)PC塑料的徹底降解，同時(shí)該線路化設(shè)計(jì)可以有效地將PC塑料廢棄物轉(zhuǎn)化為一系列芳香族化合物，以期實(shí)現(xiàn)廢棄PC塑料降解的高值化，并可以對(duì)其一系列高值化產(chǎn)品進(jìn)行回收利用。因此，降解線路化設(shè)計(jì)為實(shí)際應(yīng)用中PC塑料的廢棄物循環(huán)利用和高值化提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論與展望

目前，PC廢棄塑料處理方法包括非生物降解和生物降解，PC塑料的非生物降解包括光降解、熱降解和化學(xué)降解。PC塑料的光降解和熱降解產(chǎn)生了大量化學(xué)結(jié)構(gòu)未被鑒定的產(chǎn)物。在PC塑料的循環(huán)利用過(guò)程中，通過(guò)微生物的生物催化和生物化學(xué)相結(jié)合的催化方法已經(jīng)顯示出巨大的希望。但是，PC塑料的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中仍然面臨著降解菌種和酶的匱乏。目前，報(bào)道的PC塑料水解酶都是來(lái)源于真核生物的商業(yè)用的脂肪酶。PC塑料解聚后形成的單體BPA在下游的代謝通路上缺乏相應(yīng)的基因和酶的研究。在BPA微生物的降解過(guò)程中，化合物1-BP轉(zhuǎn)化為4-DM，4-DM轉(zhuǎn)化為4-HAP和4-HBD，2-BP轉(zhuǎn)化為2,2-BP和2,3-BP，2,3-BP轉(zhuǎn)化為4-HBA和4-HPA，但是這個(gè)設(shè)計(jì)的路線依然缺乏基因和酶的研究來(lái)支撐進(jìn)一步研究。所以在未來(lái)的工作中，要繼續(xù)挖掘PC生物降解相關(guān)的菌株、基因和酶，為今后PC塑料廢棄物的徹底降解和高值化的回收利用提供理論支撐。

目前，PET等聚酯型塑料的酶法解聚與催化機(jī)制取得了令人矚目的重要突破，并初步建立從PET廢棄物的降解到單體利用的完整產(chǎn)業(yè)鏈。PC作為一種特殊的聚酯類塑料，具有和PET塑料結(jié)構(gòu)類似的高分子化合物，解聚之后得到的芳香族化合物BPA，基于BPA可以利用微生物生物轉(zhuǎn)化為一系列的高價(jià)值芳香類化學(xué)品。因此，同時(shí)采取多種策略綜合研究利用PC塑料及其降解單體，PC塑料極有可能成為下一個(gè)可以工業(yè)化的酶法回收的塑料，并實(shí)現(xiàn)PC塑料廢棄物的循環(huán)利用和生產(chǎn)高值化產(chǎn)品。