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摘 要：伴随塑料的大量使用及塑料废弃物处理困难带来的压力,人们对可生物降解塑料的开发和研究越来越重视.为了解决合成塑料所带来的环境问题,科研人员已经开展了大量关于可生物降解塑料的研究.对目前的可生物降解塑料及其生物降解性能进行了综述.
关 键 词：生物降解性能；合成塑料；可生物降解塑料
中图分类号：TQ321.4；X384文献标识码：A文章编号：0439-8114（2013）11-2481-05
塑料是人工合成的长链高分子材料[1].由于塑料具有优秀的理化性能,如强度、透明度和防水性等,合成塑料已广泛应用于食物、药物、化妆品、清洁剂和化学品等产品的包装.塑料已经成了人类生活中不可缺少的一部分,目前全世界大约有30%的塑料用于包装,而且仍以每年高达12%的比率扩展.
塑料材料在世界范围内的广泛使用,在给人类生产和生活带来巨大益处的同时也带来了很多问题：如石油资源的大量消耗和塑料垃圾的日益增加等,它们会给人类未来的生活带来难以估计的能源危机和环境污染问题.尤其是各种废弃塑料制品的处理问题,已经不单是简单的环境治理方面的问题,世界各国普遍已将其发展认识成为值得重视的政治问题和社会问题.由于塑料在自然进化中存在的时间较短,因此塑料可抵抗微生物的侵蚀,自然界中一般也没有能够降解塑料这种合成聚合物的酶[2].目前塑料垃圾一般是通过填埋、焚化和回收处理掉.但不恰当的塑料废弃物处理往往是环境污染的重要来源,不仅直接危害人类的生存,而且潜在地威胁社会的可持续发展.比如聚氯乙烯（Polyvinylchloride,PVC）塑料的燃烧会产生二恶英的持久性有机污染物[3].
由于与传统塑料有相似的材料性质,又具有非常好的生物降解性能[4],以聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates,PHAs）、聚乳酸（Polylacticacid,PLA）、聚己内酯（Polycaprolactone,PCL）等为代表的可生物降解塑料已开始广泛应用于各种包装材料、医疗设备以及一次性卫生用品生产,另外在农田地膜生产中也已用作聚丙烯或聚乙烯的替代品[5].可生物降解塑料的使用可降低石油资源消耗的30%～50%,进一步缓解对石油资源的使用；另外可生物降解塑料制品的废弃物可以进行堆肥处理,所以与普通石油来源的塑料垃圾相比可避免人工分拣的步骤,这样就大大方便了垃圾的收集和后续处理.因此,可生物降解塑料十分符合现在提倡的可持续发展的政策,以利于真正实现“源于自然,归于自然”.
1塑料降解概述
任何聚合物中的物理和化学变化都是由光、热、湿度、化学条件或是生物活动等环境因素引起的.塑料的降解一般包括光降解、热降解以及生物降解等.
聚合物光降解的敏感性与其吸收来自对流层的太阳辐射的能力直接相关.在非生物降解中,光辐射活动是影响降解最重要的因素[6].一般来说,UV-B辐射（295～315nm）和UV-A辐射（315～400nm）会直接造成光降解；而可见光（400～760nm）是通过加热来实现加快聚合体降解的；红外光（760～2500nm）则是通过加快热氧化作用实现降解.大多数塑料倾向于吸收光谱中紫外部分的高能量辐射,激活电子更活跃的反应,导致氧化、裂解和其他的降解.
聚合物的热降解是由过热引起的分子降解.在高温下,聚合物分子链的迁移率和体积会发生改变,长链骨架组分断裂,发生相互作用从而改变聚合物特性[6].热降解中的化学反应导致材料学和光学性能的改变.热降解通常包括聚合物相对分子质量变化和典型特性的改变；包括延展性的降低、脆化、粉末化、变色、裂解和其他材料学性能的降低.
生物降解是塑料降解的最主要途径,一般来说,塑料在自然状态下进行有氧生物降解,在沉积物和垃圾填埋池中进行厌氧降解,而在堆肥和土壤中进行兼性降解.有氧生物降解会产生二氧化碳和水,而无氧生物降解过程会产生二氧化碳、水和甲烷[7].通常情况下,高分子聚合物分解成二氧化碳需要很多不同种类的微生物的配合作用,一些微生物可将其降解为相应的单体,另一些微生物能利用单体分泌更简单的化合物,还有一些微生物再进一步利用这些简单化合物以实现聚合物的完全降解[1].
生物降解是受很多因素控制的,包括微生物类型和聚合物特性（迁移率、立构规整度、结晶度、相对分子质量、功能团类型以及取代基等）,另外添加到聚合物中的增塑剂和添加剂等都在生物降解过程中起着重要作用[8].降解过程中聚合物首先转化成单体,然后单体再进行矿化.大多数聚合物都难以通过细胞膜,所以在被吸收和生物降解进入细胞前必须先解聚成更小的单体或寡聚体[9].微生物降解起始于各种各样的物理和生物推动力.物理动力（如加热/冷却、冷冻/熔化以及湿润/干燥）会引起聚合物材料裂化的机械破坏；微生物进一步渗透,造成小规模溶胀和爆破.至少有两种酶在聚合物降解中起着重要作用,它们分别是胞内解聚酶和胞外解聚酶.胞外解聚酶将聚合物分解成短链分子,短链分子小到足以透过细胞膜,被胞内解聚酶进一步分解.
2天然可生物降解塑料的生物降解
天然可生物降解塑料一般是指以有机物为碳源,通过微生物发酵而得到的生物降解塑料.主要以PHAs较多,其中最常见的有聚3-羟基丁酸酯[Poly（3-hydroxybutyrate）,PHB]、聚羟基戊酸酯[Poly（3-hydroxyvalerate）,PHV]和其共聚物[Poly（3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate）,PHBV][10].微生物在营养缺乏的情况下产生并储存PHAs,当营养不受限时微生物会将其降解并代谢[11].但是微生物储存PHAs的能力未必能保证环境中微生物对PHAs的降解能力.微生物必须先分泌胞外水解酶,将聚合物转化成相应的羟基酸单体[7].PHB水解产物为3-羟基丁酸,而PHBV的胞外降解产物为3-羟基丁酸和3-羟基戊酸[12].这些单体都是水溶性的,可透过细胞壁,在有氧情况下进行β-氧化和三羧酸循环,完全氧化为二氧化碳和水,厌氧情况下还会生成甲烷.实际上,在所有高等动物血清中都发现了3-羟基丁酸,因此PHAs可用于医学方面,包括用于长期控制药物释放、手术针、手术缝合线、骨头和血管替代品等.目前已在多种环境中分离出大量可以降解PHAs的微生物[13,14].在土壤中发现的Acidovoraxfaecilis、Aspergillusfumigatus、Comamonassp.、Pseudomonaslemoignei和Variovoraxparadoxus,在活性污泥中分离出的Alcaligenesfaecalis和Pseudomonassp.,在海水中发现的Comamonastestosteroni,存在于厌氧污泥中的Ilyobacterdelafieldii以及在湖水中发现的Pseudomonasstutzeri对PHAs均具有降解能力.
PHB胞外解聚酶是微生物自身分泌的,对于环境中PHB的新陈代谢发挥着重要作用.很多PHB解聚酶已从Alcaligenes[15]、Comamonas[16]和Pseudomonas[17]的微生物中分离纯化出来.对它们的基本结构分析表明,这些酶由底物结合区、催化区和连接二者的联合区域构成.底物结合区域在结合PHB方面发挥着重要作用.催化部分包含一个催化单元,由催化三联体（Ser-His-Asp）构成.目前对于PHB解聚酶的性能研究已比较深入,研究显示,PHB解聚酶相对分子质量一般低于100000,大多数PHA解聚酶相对分子质量都在40000～50000；最适pH为7.5～9.8,只有来源于Pseu
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