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北京理工大学生命学院 分子医学与生物诊疗工业和信息化部重点实验室  北京 

摘要

：聚乙烯(polyethylene，PE)是产量最大的通用塑料之一，通常被加工成一次性包装材料(包括塑料袋及容器)和农用薄膜等。PE 塑料的广泛应用导致大量 PE 废弃物的累积，对生态环境造成严重的威胁。自 20 世纪 70 年代以来，一些研究陆续报道了 PE 塑料被微生物降解的现象，并从土壤、海洋、垃圾堆置点及昆虫肠道等生境中分离筛选到了若干种具有一定 PE 塑料降解能力的菌株，而且发现一些单加氧酶、过氧化物酶和漆酶等氧化还原酶对 PE 塑料具有氧化降解能力。这些研究为发展 PE 塑料废弃物生物降解处理技术提供了一定的依据。本文总结和分析了 PE 塑料降解微生物的分离和筛选方法，以及已报道的 PE 塑料降解微生物和降解酶的研究进展，以期为进一步研究 PE 塑料的微生物降解机理和处理技术提供参考。 

关键词

：聚乙烯，微生物降解，塑料污染，土壤微生物，昆虫肠道微生物，聚乙烯降解酶 

Microbial degradation of polyethylene

WANG Jia-Lei  HUO Yi-Xin  YANG Yu

*

Key Laboratory of Molecular Medicine and Biotherapy, School of Life Sciences, Beijing Institute ofTechnology, Beijing 100081, China

基金项目：

国家自然科学基金(31961133015，51603004)；中国科学技术协会青年人才托举工程项目 (2017QNRC001)；北京理工大学青年人才启动计划(3160011181804)；中央高校基本科研业务费专项资金 

*

通信作者：

Tel：010-68911329；E-mail：yooyoung@bit.edu.cn  

of large amounts of PE waste, posing a serious threat to the ecological environment. Since the 1970s, several studies have reported that PE plastic could be degraded by a few of microorganisms, which were isolated from a diversity of niches such as soil, marine ecosystem, garbage dump and insect gut. Additionally, a number of oxidoreductases such as monooxygenase, peroxidase and laccase have been shown to be capable of oxidizing PE plastic. These studies have paved the path for the development of bio-treatment technology for PE waste. This review summarizes the isolation and screening methods of PE-degrading microorganisms, as well as the reported PE-degrading microorganisms and enzymes. Further perspectives and challenges on the research on biodegradation of PE are also highlighted.

Keywords: 

Polyethylene, Microbial degradation, Plastic pollution, Soil microbiota, Insect gut microbiota, Polyethylene depolymerases

聚乙烯(polyethylene，PE)是一种以乙烯为原料经加成聚合制得的热塑性树脂。PE 由非极性的饱和高分子量烃链组成，而烃链的对称分子结构又易于有序排列形成结晶态的超分子结构。这些特殊的物理化学结构赋予 PE 优异的机械性能和化学稳定性。自 1944 年，PE 被美国 DuPont 公司实现大规模商业生产以来，其逐渐被广泛应用于生产生活中，并成为最常见的塑料之一。根据聚合方法、分子量高低、链结构之不同，PE 可分为高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)、低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)及线性低密度聚乙烯(linear low density polyethylene，LLDPE)。2018 年，全球塑料产到 3.6 亿t。其中，中国和欧盟分别占到了 30%和 17%。 

      PE 的主要用途是一次性包装材料(包括塑料袋及容器)和农用薄膜等。PE 塑料制品的大量消费，必然产生大量的 PE 塑料废弃物。现有的塑料废物处理途径主要是填埋和焚烧

[1]

。但是，填埋会占据土地、产生渗漏液及污染地下水；焚烧会产生大量的有毒气体，包括一氧化碳、氯化氢、二氧化硫、二噁英等

[2]

；热机械回收处理会导致回收塑料性能的下降。大量未被合理处理的塑料进入自然环境中，给环境生态和人类健康构成很大的威胁

[3]

。

    自 20 世纪 70 年代以来，一些研究陆续报道了 PE 塑料被微生物降解的现象，并且从土壤、垃圾堆置点、海洋、昆虫肠道等不同生境中分离出若干能利用 PE 为唯一碳源生长的菌株

[4-5]

，为处理 PE 塑料废弃物提供了全新的思路。本文简述目前国内外关于 PE 降解菌株的分离、筛选以及降解酶方面的研究进展，以期为进一步研究 PE 塑料的微生物降解机理和处理技术提供参考。 

1  PE 

降解微生物的分离与筛选方法 

1.1  PE 

降解微生物的分离 

      PE 降解微生物一般使用传统的微生物学方法进行分离，包括富集、分离、纯化和筛选几个步骤(图 1)。选用有 PE 降解微生物发现潜力的环境样品为接种物，将其加入以 PE 为唯一碳源的液体培养基中，在适宜的培养条件下进行微生物的富集。微生物生长旺盛时，将样品梯度稀释涂布在富营养固体培养基上，再选取单个菌落进行单独划线分离。提取纯化的 PE 降解潜力的单菌的 DNA，进行 16S rRNA 基因扩增和测序，确定单菌的分类和进化关系。从分离获得纯菌中，通过生理生化特性和被菌株降解后 PE 的材料性质等两方面的评价分析，筛选 PE 降解菌株

[1,5-8]

。 

图片

Figure 1  Isolation and screening methods of PE-degrading microorganisms

1.2

  基于微生物生理生化特性的筛选方法 

该方法主要是通过观测菌株在以 PE 为唯一碳源培养条件下的生长动力学、细胞活性和酶活性质，来判断微生物是否具有降解 PE 的能力。比如，采用细胞计数的方法

[5]

，观察微生物在以 PE 为唯一碳源的培养基上的生长情况，可作为其是否具有降解 PE 的依据

[9]

。 

此外，也可以采用 Live/Dead 染色试剂(Thermo Fisher)和荧光显微镜观察鉴定微生物细胞是否存活，以此来判断菌株是否能利用 PE 为唯一碳源生长

[10]

。Live/Dead 荧光染色剂主要包括碘化丙锭(propidium iodide，PI)和二乙酸荧光素(fluorescein diacetate，FDA)2 种化合物。微生物细胞染色以后，如果细胞死亡或细胞膜不完整，导致 PI 进入细胞与 DNA 相结合，在 488 nm 的激光激发下发射波长 660 nm 红色荧光，说明该微生物无法在这种以 PE 为唯一碳源的条件下生长；如果细胞具有正常活性，则 FDA 能够进入细胞，在活细胞非特异性脂酶的催化下生成荧光素，后者经 480 nm 激光激发出波长 530 nm 左右的绿色荧光，说明该微生物能够在以 PE 为唯一碳源的条件下生长。这种方法的优点是能通过直观的结果判断微生物是否能有效利用 PE 为唯一碳源生长。 

基于观察微生物以 PE 为唯一碳源的生长状况，理论上可直观判断该微生物是否具有降解 PE 塑料的能力。但值得注意的是，在当前的研究中，一般采用的都是包含有机添加剂和低聚物分子的商品化 PE 塑料，导致不能区分微生物生长实际利用的碳源是来自 PE 塑料中的有机添加剂或者低聚物分子还是 PE 塑料本身。因此，在将来的研究中，有必要采取如萃取的办法尽可能去除掉 PE 塑料中的有机添加剂或者低聚物分子，或者合成制备窄分子量分布且不添加任何助剂的纯 PE 作为实验标准品，这将有利于排除实验中的假阳性。 

1.3

  基于材料性质表征的筛选方法 

另一方面，通过分析 PE 材料本身性质在被微生物降解前后的变化，如重量损失、矿化(转化成 CO

2

)、表面物理化学性质变化、分子量分布及大小变化和产物生成等，可评价生物降解的效果(图 1)。 

首先，最简单的就是测定材料在降解前后的重量损失，通过重量损失的数据判定生物降解是否有效

[11]

。此外，采用 Sturm test，即在有氧条件下，通过测试微生物以 PE 为唯一碳源产生 CO

2 

的量判断 PE 被微生物降解的效率

[12-13]

。与观察微生物以 PE 为唯一碳源的生长状况时面临的问题一样，当前研究中一般采用的都是包含有机添加剂和低聚物分子的商品化 PE 塑料。通常，这些有机添加剂和低聚物的含量并未注明，这使得不能区分 PE 塑料的重量损失以及产生的 CO

2 

是来自有机添加剂或者低聚物的降解还是 PE 塑料本身。通过同位素示踪的方法，用放射性 

14

C 标记 PE 中的 C，利用闪烁计数器测量降解实验过程中产生的 

14

CO

2 

来确定 PE 的降解效果

[14]

。这一方法也被认为是判断生物降解效率的金标准。不过，由于制备放射性 

14

C 标记 PE 相对比较复杂且尚无可购买的商业化产品，进行放射性示踪实验也需要相应的防护要求，导致这种方法比较难以推广。采用稳定同位素 

13

C 标记的 PE 开展示踪实验，虽然能购买到商业化产品(Thermo Fisher)，实验中也不需要放射性防护，但是通过同位素质谱检测 

13

CO

2 

容易做到定性分析却难以定量检测，一般很少采用。 

利用凝胶渗透色谱(gel permeation chromatography，GPC)测定材料在被微生物降解前后的分子量分布和平均分子量的变化，可以判断 PE 被微生物降解后，是否发生了长链的解聚

[5]

。比如，用 GPC 检测被微生物降解之后的 PE 塑料，与降解前的原样相比，分子量分布往高分子部分偏移且平均分子量增加，这说明被微生物降解的部分是分子量相对较低的寡聚物分子或者是有机小分子添加剂，大分子链并没有发生解聚

[1,5]

。反之，如果分子量分布往低分子部分偏移且平均分子量降低，这说明大分子链发生了解聚

[5]

。因此，采用 GPC 测定分子量分布和分子量大小，应作为不可或缺的佐证来评价 PE 塑料降解之后的重量损失或者产生的 CO

2 

是否是来自 PE 塑料高分子长链的解聚和降解

[5]

。在证明 PE 长链发生解聚的基础上，利用气相和液相色谱与质谱联用的方法分析降解过程中产生的代谢产物，也是表明降解效果的一个重要的依据

[14]

。 

利用扫描电子显微镜(scanning electronic microscope，SEM)和原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)观测 PE 膜在降解前后表面物理形貌和粗糙度的变化，比如明显的损伤和凹坑等，可以直观地看到生物降解的效果

[5]

。通过观测材料表面化学性质的变化也是评定降解效果的方法之一，如采用全反射-傅立叶变换红外光谱(attenuated total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy，ATR-FTIR)可以测定材料中含氧极性基团的产生，采用 X 射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)可以检测是否被引入了氧元素，测定表面水接触角来判断 PE 材料表面的亲疏水性变化

[5]

。但是，在进行表面物理形貌的观测时，要保证未经微生物降解的 PE 塑料表面处于光滑和无损状态，避免 PE 塑料本身的表面损伤被误判为降解特征。在进行表面化学性质的检测时，要设置好对照实验并做好表面的清洁，避免将吸附在 PE 塑料表面的生物分子如蛋白、脂肪和核酸等物质引入的含氧基团误判为 PE 塑料的降解特征。 

如上所述，通过微生物富集和分离纯化，结合微生物生理生化和材料性质表征的筛选方法，可以得到具有 PE 降解能力的微生物。但是，当前的方法也存在一些缺陷，容易导致假阳性降解表型的菌株。 

在未来的研究中，首先需要解决的问题是规范降解实验所采用的 PE 塑料底物。目前已经报道的研究中所采用的 PE 塑料底物五花八门，寡聚物分子或者是有机小分子添加剂含量未知，分子量分布相对较宽。在规范 PE 塑料底物的基础上，重点关注的实验证据应主要包括三方面：(1) 微生物的生长：在以纯 PE 标准品为唯一碳源时，能观测到明显的微生物增长。(2) 重量损失：在以纯 PE 标准品为唯一碳源时，根据聚酯的微生物降解的效率来看，在 28 d 内，建议以重量损失效率达到 15%−20%以上似为可靠。(3) 同位素示踪：在有条件的情况下，采用 

14

C 标记 PE 实验是验证表型的金标准，同样建议在 28 d 内，

14

CO

4 

损失效率达到 15%−20%以上似为可靠。其次，应该建立菌株保藏机制。凡是公开发表的 PE 塑料降解菌株，有必要要求在可公共获取的菌株保藏机构中进行保藏并在公开发表的论文中公开保藏号，以便不同的研究人员对菌株降解效果进行比较和参照。此外，以 PE 为唯一碳源的筛选方式也存在微生物生长速率慢、实验周期长的问题。之后的研究可以尝试开发以小分子类似物为底物的高通量筛选方法进行初筛，再用传统的方法进行复筛，提高降解 PE 微生物的筛选效率。 

2  

不同生境中的 

PE 

降解微生物 

2.1

  土壤 

土壤中的微生物非常丰富，通常 1 g 土壤中有 10

6

−10

9 

个微生物，其种类和数量随成土环境及其土层深度的不同而变化

[15]

，所以选用这种资源丰富的生境作为 PE 降解菌的筛选来源之一(表 1)。1978 年，Albertsson

[16]

用放射性 

14

C 标记合成的 PE 薄膜作为底物，考察了土壤微生物对 PE 的降解能力，在 2 年内，通过闪烁计数器测量释放 

14

CO

2 

的净值约占测试样品中放射性总量的 0.5%，明显高于老化样品非生物产生的 

14

CO

2

，这证明土壤微生物对 PE 进行了催化转化。1990 年，Albertsson 团队

[34]

又利用土壤中的真菌测试了微生物降解 PE 的能力，同位素示踪和红外光谱测定数据都表明 PE 在土壤真菌的作用下产生了有效的降解。1999 年，Kawai 团队

[35]

利用光降解后的 PE 和商业 PE 蜡分别作为唯一碳源和能源培养土壤微生物，通过活细胞计数、样品重量和 GPC 分析分子量的变化，证实了土壤微生物菌群的生物降解作用。2004 年，Gilan 等

[17]

用 PE 薄膜作为唯一碳源，从土壤样本中富集分离了一株细菌 

Rhodococcus ruber

，在液体培养中，该菌在 PE 表面上形成生物膜

[18]

，并在孵育 30 d 之内产生了 8%的重量损失 2013 年，Tribedi 等

[19]

从土壤中富集分离得到一株 

Pseudomonas 

属细菌，在不需要事先氧化预处理 PE 的情况下，45 d 内 PE 的重量损失可内达到 4%−6%，降解后 PE 材料的疏水性经测量也有一定降低。2016 年，....