土壤微生物對廢舊聚乙烯地膜降解機理研究

劉 昀 賀 媛 白聰艷 王若翰 雷 淼 柴浩東

（西北民族大學化工學院，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

塑料地膜的生產原料主要是石油提煉物，其成分通常以聚乙烯為主。聚乙烯（Polyethylene，PE），基本結構為-[CH2-CH2]n-，是1種線性飽和碳氫化合物，結構上和石蠟、長鏈烷烴相似，屬于高分子量烷烴，是1種十分穩定的聚合物。聚乙烯是我國合成樹脂中進口量最多、產能最大的品種，五大合成樹脂之一。聚乙烯主要分為高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、線性低密度聚乙烯（LLDPE）3類[1]。此外，聚乙烯屬于烷烴惰性聚合物，具有良好的化學穩定性，且疏水性能良好，不容易被酶和微生物降解。在自然條件下，普通的聚乙烯地膜降解過程十分漫長，至少需要百年時間。

1 聚乙烯地膜的特點

低密度聚乙烯（LDPE）地膜最常用于蔬菜生產，該種地膜透光性好，提高地溫，易與土壤黏結，適用于北方；高密度聚乙烯（HDPE）地膜，可以用于玉米、小麥、棉花等農作物，該種地膜光滑，強度高，柔軟性差，不易黏著土壤，不適合覆蓋沙土地，其增溫保水效果與LDPE地膜基本相同，但是透明性和耐候性略差。線性低密度聚乙烯（LLDPE）地膜，可以用于蔬菜、棉花等作物，除了具有LDPE地膜的特性外，機械性能良好，伸長率提高了50%以上，穿刺強度、沖擊強度、撕裂強度均較高，其透明性、耐候性都好，但是易粘連。

2 地膜使用情況及優勢

土壤表面覆蓋地膜，可以提高土壤溫度，減少了土壤水分流失，促進作物對水分的吸收和生長發育，維持土壤結構，利于肥料的腐熟和分解，提高土地肥力，防止害蟲啃食作物以及引起某些微生物導致的病害等，地膜覆蓋成本低、使用方便、增產幅度大，是1項既能防止水土流失，又能提髙作物產量的常用措施。我國大部分地區都已普及和應用地膜，在西北、華北、東北主要旱作地區已經成為1種突出的增產節水措施，現今使用范圍已從北方半干旱和干旱區域逐步擴展到南方的高山、低溫地區，覆蓋農作物類型也逐漸增加，由經濟作物擴展到大宗糧食作物，而且可以在1 a之中的任何時候使用，土壤被預熱過的晚春時節是最佳的使用時間。地膜主要用于小麥、玉米、棉花、花生、馬鈴薯、甜菜、瓜果、煙、藥、麻和茶等40多種不同農作物，可以使作物產量普遍增加了30%～50%，增值40%～60%[2]。地膜的覆蓋不僅使農業生產力水平有了很大的飛躍，而且加快推動了農業發展的現代化進程。因此將地膜這種具有提升土壤溫度、增肥保濕、提高土壤水分利用率、減少耕層鹽分和防治病蟲害等作用的新型農業產品，譽為“農業的第二次革命”。

3 地膜污染情況

農田中殘膜污染給農業生產過程中造成了巨大的影響，我國地膜殘留污染量大且面積廣，所有地膜覆蓋后的農田土壤中均有不同程度的膜殘留污染；地膜殘留量如果達到0.006 kg/m2以上，就可以使農作物減產10%以上。土壤耕層中大量地膜殘留，水肥運移受阻、土壤結構惡化、種子發芽和作物根系生長受到影響、農機部件損壞，籽棉中混入殘膜導致棉花品質降低，而混入飼料動物誤食將導致死亡；早期我國推廣地膜覆蓋種植技術時，地膜厚度在0.012 mm～0.014 mm，隨著工業技術水平的發展進步，農民為了減少生產成本、制造商為追求經濟利益，農用地膜就被制造得越來越薄，甚至個別地區的地膜厚度小于0.005 mm。地膜變薄、加速老化，秋收時破損程度嚴重，強度變差，難以實現人工回收，機械回收難度大、回收率低，農田殘膜量大[3]。如果通過焚燒處理廢舊地膜，在焚燒過程中產生的煙塵、刺鼻氣味是最直接的環境污染物；焚燒殘渣中污染物質富集，如果處理不當，對環境的危害程度相當大；焚燒過程會向大氣釋放大量溫室氣體，加劇居住環境的惡化。

4 土壤微生物種類及特性

土壤中微生物含量豐富，土壤越肥沃，微生物數量和種類越多，土壤微生物是指土壤中一切肉眼可發現或難以發現的微小生物的總稱，包括細菌、真菌、古菌、病毒、放線菌、藻類和原生動物，其個體微小，一般以微米或毫微米計算。大約1 g土壤中有106～109個微生物，其數量和種類隨著土壤環境及其土層深度的改變發生變化[4]，它們可以促進土壤養分的轉化和有機質的分解。土壤中各種微生物的種類及特點見表1，細菌的生存條件為中性及微酸性，一般分為2類，一類是自養菌，有同化CO2的能力，可以直接影響土壤的理化性質，平衡土壤的酸堿度；另一類是異養菌，通常都是以和作物共生的狀態存在，可直接促進作物的生長。放線菌和霉菌主要分解土壤中的纖維素、木質素和果膠類物質，以此改善土壤的養分狀況，以便于作物直接吸收利用土壤養分。真菌以孢子和菌絲分布于土壤中，分為寄生、腐生和共生3種類型。古菌與細菌的功能類似，參與土壤有機物的轉化。藻類通常為絲狀的微生物，與高等植物一樣含有葉綠素，可以固定空氣中氮素營養，幫助植物利用以各種狀態存在的氮素養分。土壤是微生物的“天然培養基”，也是它們的“大本營”，對人類來說是最豐富的菌種資源庫。在土壤中篩選可降解聚乙烯地膜的菌株，其來源廣泛，有利于減少殘留地膜對土壤造成的損傷，充分發揮土壤微生物的積極作用，促進農業可持續發展。

表1 土壤微生物的種類及特點

5 聚乙烯地膜降解及特點

“降解”是指：1） 高分子化合物的大分子分解成較小的分子。2）有機化合物分子中的碳原子數目減少，分子量降低[5]。聚乙烯的降解可以大致分為兩類非生物降解和生物降解，前者為溫度、紫外線照射等外界因素引起的降解，后者是因微生物作用引起的生物降解，這些微生物修飾和消耗聚合物，導致聚合物性能的改變。聚乙烯地膜降解指聚乙烯高分子鏈在微生物的作用下，使C-C鍵斷裂，進而造成分子鏈上的碳原子數目減少、聚合度降低、相對分子質量降低，小型結晶區域和非結晶區域解聚成親水性低聚物或小分子，最終完全分解為H2O、CO2、CH4、生物質等各種微生物代謝產物的過程。聚乙烯是由成千上萬個乙烯小分子均聚或與少量α-烯烴共聚而成的線性高分子化合物，其降解特性受分子鏈結構、重復單元、凝聚態結構3個結構層次的共同影響，主要包括分子鏈長度、分子鍵強度、分子結晶度、分子親/疏水性等方面[6]。聚乙烯地膜的自身結構與環境因素共同影響了降解速度。聚乙烯分子鏈缺乏被微生物酶系統所利用的官能團，難以與化學、生物物質直接接觸或進入微生物體內分解代謝；此外，組成聚乙烯分子的C-C共價鍵鍵能強度大，理化性能穩定，需要較高的能量或作用力才可以發生分子鍵斷裂；這些因素導致聚乙烯分子降解過程緩慢，甚至難以降解[7]。

6 可降解聚乙烯材料的微生物

目前已發現的可降解聚乙烯材料的微生物主要有細菌和真菌，其中真菌又以霉菌為主，多為曲霉屬真菌。據報道，以下真菌能生長在經UV處理過的線性低密度聚乙烯地膜：黑曲霉（Aspergillus niger）、瘤孢棒囊孢殼（Corynascus sepedonium）、鐮刀菌屬（Fusarium sp.）、毛殼菌屬（Chaetomium sp.）、葡萄穗霉屬（Stachybotrys sp.）、擬青霉（Paecilomyces variotti）、鐮孢菌（Fusarium solani）、木霉屬（Trichoderma sp.）等；煙曲霉菌（Aspergillus fumigatus）、土曲霉（A. terreus）能降解線性低密度聚乙烯薄膜；降解聚酯類薄膜可使用賓曲霉（Aspergillus tubingensis）；其他真菌如尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）、簡青霉（Penicillium simplicissimum YK）等，能降解的聚乙烯數均分子量范圍從幾百到幾萬不等。細菌類降解菌，解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）能夠降解線性低密度聚乙烯薄膜；能夠降解聚乙烯數均分子量范圍從幾百到幾千的有假單胞菌（Pseudomonas.spp）、奈瑟氏球菌科（Neisseriaceae）、蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus）、醋酸鈣不動桿菌（Acinetobacter calcoaceticus）、玫瑰紅紅球菌（Rhodococcus rhodochrous）等；Ideonella sakaiensis 能完全降解聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）[1]。真菌如青霉（Penicillum sp.）、曲霉（Aspergillus niger）、木霉（Trichoderma sp.）其分屬于3個不同屬；細菌如乳酸鏈球菌（Streptococcus lactis）、微球菌（Micrococcus sp.）、普通變形桿菌（Proteus vulgaris）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、假單胞菌（Pseudomonas sp.）、腸桿菌（Enterobacter asburiae）、芽孢桿菌（Bacillus subtilis），分別屬于7個不同屬[7]，但是能夠降解高分子量聚乙烯的降解菌目前很少發現。

7 土壤中篩選PE降解微生物

目前常見的在土壤中篩選可降解PE微生物方法：1） 選取微生物含量豐富的土壤，稱量一定質量的土壤，制備土壤稀釋液。土壤可以分為砂質土、黏質土和壤土3類。砂質土的性質為含沙量多，顆粒粗糙，滲水速度快，保水性能差，通氣性能好。黏質土的性質為含沙量少，顆粒細膩，滲水速度慢，保水性能好，通氣性能差。壤土的性質：含沙量一般，顆粒一般，滲水速度一般，保水性能一般，通氣性能一般。土壤一般選用黏土或者農用地膜覆蓋的農田；黏土結構緊密，固水，保肥力強，養分較豐富，有機質分解慢，腐殖質易積累，有良好的厭氧發酵條件[8]。2） 聚乙烯樣品預處理。將樣品放在無菌操作臺上，紫外滅菌2 h。3） 配制無碳基質培養基（見表 2），將聚乙烯樣品添加至培養基，然后接種土壤稀釋液，150 r/min 35 ℃的搖床培養，逐日觀察，培養基是否渾濁，發現渾濁即將菌株進行富集和分離純化，轉移培養液至新鮮培養基中繼續培養，得到以聚乙烯為唯一碳源的菌株；同時設置不含聚乙烯樣品的對照組。

表2 無碳基質培養基配方

無碳基質培養基是不含碳源的無機鹽培養基，篩選聚乙烯降解菌的無機鹽培養基組成常為磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、硝酸氨、氯化鈉、硫酸亞鐵、硫酸鋅和硫酸錳。其中無機鹽的作用如下：1） NaCl平衡滲透壓，在培養基中起調節滲透壓的作用。2） MgSO4，Mg2+是EMP、TCA途徑及賴氨酸產生的重要霉激活劑。3） 磷酸鹽，磷元素不僅是蛋白質、核酸的組成部分，而且是ADP 、ATP的組成部分，提供能量；磷也是細胞膜的組成部分，在培養基中起緩沖作用。4） FeSO4，組成細胞色素、細胞色素氧化酶和過氧化氫酶的活性基團。

8 檢驗降解菌對聚乙烯的降解效果

8.1 通過聚乙烯粉末觀察菌株降解情況

首先對液體無碳培養基、聚乙烯粉末進行滅菌處理，然后將菌株接種到含不同分子量聚乙烯粉末的無碳培養基中，設置對照組，聚乙烯作為唯一的碳源在35 ℃、150 r/min條件下搖床培養，觀察菌株的生長情況和聚乙烯粉末的變化情況，定期收集搖瓶內聚乙烯粉末含量，計算聚乙烯粉末的失重率，失重率按公式（1）計算，定期通過掃描電鏡觀察菌株的變化，如菌株對聚乙烯粉末的覆蓋情況。

8.2 通過聚乙烯薄膜觀察菌株降解情況

首先聚乙烯薄膜進行無菌處理并裁剪成小片，放入無碳基質培養基中接種菌株，設置對照組，在35 ℃、150 r/min的條件下搖床培養，培養一段時間后，取出膜片進行如下處理：洗滌樣品，利用0.01 mol/L磷酸鹽緩沖液（pH 7.2）清洗，重復2次，以除去表面未粘附菌，然后用多聚甲醛（4%）處理8 h，乙醇（50%）處理2次，每次0.5 h，使用70%、80%、90%、95% 乙醇處理1 h，100%乙醇處理2 h，樣品自然干燥后，鍍鉻，利用掃描電鏡觀察膜表面細菌侵蝕和生長情況[9]。

9 結語

該文主要根據聚乙烯地膜的理化特性和分子結構以及使用環境，系統說明了土壤中微生物對聚乙烯地膜的降解機理、發展前景和常見的篩菌方法。土壤中所含有的豐富微生物為降解聚乙烯地膜提供了新的方向，也拓寬了研究領域，對白色污染的治理將有重要的影響。但是，目前降解菌株的降解效率較為低下，大規模地使用土壤降解菌株處理聚乙烯地膜還要有很長一段路要走。檢驗土壤中微生物對聚乙烯地膜降解效果的方法目前主要是通過掃描電鏡觀察地膜的變化情況，如膜表面的破損粗糙及孔洞，因此檢測方法較為單一。此外，當前研究的聚乙烯地膜通常為市場銷售的成品，因為使用需要在生產過程中添加了各種有機添加劑，在實驗過程中無法確定菌株生長時實際利用的碳源是否來自聚乙烯塑料本身還是其他添加劑，而使用聚乙烯粉末進行實驗，通過計算失重率誤差過大，或利用掃描電鏡觀察現象，所以尋找更多的檢測手段和易于發現的實驗現象對研究菌株的降解效果很重要。