降解路线之争：降解剂是不是浑水摸鱼？

导语：在全国禁塑的大背景下，关于生物降解塑料的研究如火如荼，因为研究方向、产业发展方向不同，市场也分成了针锋相对的两个技术流派：一派是支持完全生物降解塑料，如PBAT、PLA、PBS等。另一派是支持改良传统塑料，把降解剂添加到PP、PE中。降解剂是一个笼统的称谓，可能是生物酶、光敏剂等。PBAT一派认为，添加降解剂是浑水摸鱼，降解剂并不能真的降解塑料，只是把塑料分解称肉眼看不见的东西。

降解剂一派则认为，完全生物降解塑料成本太高，并且生产PLA要耗费粮食资源，而且很多地方的GDP也依赖于石化生产的传统塑料。因此，发展降解剂方向，从政府资源到民间企业都应该得到支持。

本文就降解剂方向进行探讨，从不同文献和研究中，寻找微生物降解PE、PP、PET、ABS、PS等不同合成塑料的理论支撑或者实践验证，仅供参考。

生物降解材料研究院原创报道，塑料由于质量轻、强度高、耐腐蚀性好、综合性能高等优势在生活中得到广泛的应用。据科学测试，在地下掩埋60年的塑料鞋被挖出后发现其基本不被腐蚀。在大海中漂了60年的塑料制品，功能基本没有丧失，这就导致废弃对土壤和环境带来了直接的破坏性影响。

为了解决这个难题，深入研究塑料的降解机理以及利用生物处理技术开发可降解塑料凸显出重大意义。

合成塑料是一种由原料单体经加聚或缩聚而成的高分子材料。原料种类较多，也被广泛应用于生产生活。

合成塑料主要包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)等石油基塑料。各原料分子结构式如下图所示：

生物处理技术是通过生物代谢过程，将废物转化成二氧化碳、水和生物质等最终产物，并进入地球化学循环中。该技术一般具有高效降解、低成本等特点。因此，被认为是处理固体有机废物的最佳方式方式之一。

在生物处理技术中微生物作为自然界的天然分解者，生存环境丰富多样，具有很强的适应能力和很高的进化能力。

天然存在的化合物几乎都可以被微生物完全利用和降解，而人工合成的化合物也会随着时间推移被微生物逐渐作为底物利用。通过微生物手段降解塑料不会造成污染，且不需要消耗大量的能量，是一种安全生态的降解方法。

通常来说，因为微生物对塑料降解具有高度的专一性，也就是说，一种微生物只能降解一种塑料。

下面我们从不同的学者研究中，找到微生物降解PE、PP、PET、ABS、PS等不同合成塑料的理论支撑或者实践验证。

01

PE

关于微生物降解聚乙烯（PE）塑料，并将其矿化成水和二氧化碳的研究，最早可追溯到20世纪70年代。

2009年，韩秋霞等人也通过实验证明了改性 PE 膜的可生物降解性。

2017年，张可等分别以塑料薄膜A（30%淀粉、70%的PE和助剂）和薄膜B（95%以上PE和少量助剂）为唯一食物饲养黄粉虫，黄粉虫对两种塑料薄膜均能实现完全降解。

近年来，关于昆虫啮食并降解PE塑料的研究也有一些报道。昆虫的肠道内存在PE降解细菌，为PE的生物降解提供了一种新途径。如果提取这种PE降解生物酶加入塑料原料中，则可以制造出可降解塑料。

不足之处及尚未解决的问题：

PE 类塑料制品相对分子质量大、表面疏水性强，且可被微生物酶系统利用的官能团少，因而在自然环境中难以矿化。

目前对于 PE 微生物降解的具体机制（原理）尚无定论，尤其是从酶和基因水平上阐述 PE 塑料降解生物机制尚为空白，针对 PE 的微生物降解机制仍需深入探索。

02

PP

聚丙烯PP塑料具有较高的分子量、较强的疏水性、较高的化学键能等，这些特性导致这类塑料在环境中很难被微生物降解。

研究表明，从土壤中分离得到的微生物菌株，对于经过紫外辐照后的聚丙烯塑料显示出一定的降解能力，而对于未经预处理的聚丙烯塑料没有降解能力。这一方面说明获得的微生物降解效率低下，另一方面说明非生物因素的处理在提高聚丙烯塑料的生物可及性中发挥着重要功能。

用不同的预处理手段对真菌降解聚丙烯塑料做辅助效果测试，结果发现紫外线处理、金属离子氧化剂处理、或混合淀粉之类的可降解材料，均能在一定程度上提高真菌对聚丙烯塑料的降解能力，而没有预处理的聚丙烯很难被真菌利用。

不足之处及尚未解决的问题：

目前对于聚丙烯塑料微生物降解的研究，还处在代谢菌株资源分离阶段，可研究和应用的聚丙烯塑料降解菌株严重缺乏。高效且高特异性的降解菌株未见报道，微生物代谢机理尚未可知。

03

PVC

2019年12月，东莞市和昶兴高分子材料曾公布了一项发明专利《一种全生物降解PVC材料及其制备方法》。

全生物降解PVC材料的制备原料包括：PVC 、生物降解剂、混合增塑剂和复合稳定剂。

生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物、生物酶。其中谷氨酸组合物包含谷氨酸、戊二酸和聚乳酸。

04

PET

在2016年，来自日本的科学家团队在一处垃圾处理场分离出了某种特殊细菌，该细菌是人类已知的第一种以PET塑料作为食物来源的生物。并且发现这种细菌可以在聚合物化学键层面上降解PET塑料。

随后，科学家们分离出了这种细菌在分解PET过程中分泌的一种塑料降解酶，正是这种酶使该细菌拥有可以消化PET的神奇能力。这种细菌分泌的PET降解酶同人类分泌的胃酸和消化酶一样，都是用来促进自身食物消化的。

由于酶具有专一性的特点，PET降解酶也是专门用来降解PET的，它的生化作用很明确，就是破坏PET中的化学键，将其还原为对环境影响很小的对苯二甲酸和乙二醇。

延伸阅读

05

PS

2019年12月，王时民、何春燕通过发明专利的申请，公开了一种全生物降解PS塑料。制备原料包括PS、生物降解剂和丁苯橡胶。生物降解剂包括生物膨胀剂、谷氨酸组合物和生物酶。

当将这种全生物降解PS塑料在厌氧条件中或者进行填埋后，其中的谷氨酸组合物和生物酶能够吸引土壤中的微生物附着于该材料。

当材料周围的微生物达到一定数量时，周围的ph值会受微生物影响，将周围的氧转化为二氧化碳和水。

随着填埋后土壤温度的升高，材料内部的生物膨胀剂受外部条件影响，使材料中分子变大，分子外层越来越薄。与此同时，微生物菌群汲取谷氨酸组合物和生物酶为养料，分泌出的酶或酸性物质将大分子逐渐分解为小分子，直至降解过程结束。

生物酶为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶和连接酶中的至少一种。

谷氨酸参与微生物体内的众多反应，是微生物代谢的重要营养物质，可吸引土壤中的微生物聚集。

生物复合酶促进自然界中物质的分解代谢。其中，氧化还原酶催化氧化还原反应，转移酶催化化学功能团转移，水解酶催化水解反应，裂解酶催化增加双键反应，异构酶催化异构反应，连接酶催化形成新键。

06

微生物降解机理

多数合成的纯聚合物均具有抗微生物侵蚀的能力。

但添加剂(如增塑剂、润滑剂、色素和抗氧剂等)则降低这种能力。增塑剂残余脂肪酸如硬脂酸酯，可被微生物降解并导致聚合物表面和性能甚至基础结构的破坏。

微生物对天然聚合物的降解作用，是通过生物合成所产生的酶蛋白质来完成的。这些酶蛋白可以着落在细胞壁上，或存在于细胞的原生质结构中。有些酶能潜入周围的环境中，有些酶则留在细胞内，只有在细胞被溶解或机械破碎时才释放出来。

但是由于微生物降解具有高度的专一性，对许多聚合物机理，至今也不完全清楚，这里仅对已知的一些容易发生生物降解的聚合物机理作了初步讨论。

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综合上述研究，微生物或者酶蛋白，是可以在特定的条件下降解塑料的，不过多数研究未能就其降解机理作出强有力的解释，因此，把“降解剂”加到PP、PE等传统塑料中，生产生物降解塑料的做法，至今仍存在诸多质疑。

当前的研究进展表明，多数科学家发现可以使塑料降解的某一种酶蛋白，通常只能降解特定的一类塑料，并且处于实验室研发阶段。而目前市面上流传的降解剂，则声称适用于所有塑料，这又是一个未解之谜。

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