塑料污染土壤微生物合成与降解聚羟基丁酸酯基复合材料的研究及其环境应用价值

为解决传统塑料污染难题，乌克兰国家科学院团队利用Azotobacter vinelandii N-15菌株以糖蜜为碳源高效合成聚羟基丁酸酯(PHB)，并联合PLA制备可降解复合材料。研究发现Streptomyces sp. K2/K4对PHB的降解效率达53%（3个月），FTIR和热分析证实材料可通过微生物酶解实现环境友好型降解，为替代石油基塑料提供新策略。

　　

全球每年产生约1.4亿吨塑料垃圾，传统石油基塑料在自然环境中需数十年才能降解，严重威胁生态系统。联合国预测到2060年塑料年产量将达12亿吨，其中40%为一次性包装材料。面对迫在眉睫的白色污染危机，开发可降解生物材料成为当务之急。乌克兰国家科学院物理有机化学与煤化学研究所L.M. Lytvynenko命名的化石燃料物理化学系团队在《Journal of Renewable Materials》发表研究，通过微生物合成与降解实验为生物塑料应用提供新方案。

研究人员采用薄层色谱(TLC)、气相色谱(GC)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)鉴定聚合物结构，通过溶剂浇铸法制备PHB/PLA复合薄膜，并从塑料污染土壤分离出10株降解菌（如Streptomyces sp. K2/K4）。采用矿物盐培养基(MSM)进行为期3个月的生物降解实验，结合差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TG/DTG)评估材料性能变化。

3.1 最优培养基筛选与PHB鉴定

以糖蜜为碳源时Azotobacter vinelandii N-15的PHB产量最高（40 g/L浓度下占细胞干重28%）。FTIR特征峰显示1712 cm^-1处羰基振动峰及1226 cm^-1处C-O-C键，证实PHB成功合成。

3.2 微生物降解效率

Streptomyces sp. K2对PHB的降解率显著高于PLA（53.03% vs 9.2%），PHB/PLA共混物降解率介于两者之间（38.9%）。重量损失实验显示PHB降解速率是PLA的5.8倍。

3.3 结构变化分析

FTIR显示降解后PHB/PLA薄膜在3100-3600 cm^-1处羟基峰增强，1725 cm^-1处酯键峰减弱，表明微生物通过水解C-O-C键引发降解。

3.4 热力学性能演变

DSC检测到PHB降解后熔点从172°C降至169°C，结晶度从56.3%升至72.4%。TG显示PHB相最大分解温度从289°C降至281°C，而PHB/PLA共混物中PLA相热稳定性反而提升至371°C。

该研究证实PHB基材料在环境中可通过微生物酶解实现快速降解，其中Streptomyces菌株分泌的脱聚酶起关键作用。相比PLA，PHB展现出更优的生物降解性和热加工性能，其与PLA的共混物能平衡力学性能与降解速率。研究成果为开发食品包装、医用材料等短寿命产品提供理论依据，同时利用糖蜜等农业副产品作为原料，实现"变废为宝"的循环经济模式。未来需进一步探究不同土壤类型对降解效率的影响，以推动生物塑料的实际应用。