1 武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070;
2 北京理工大学 生命学院，北京 100081
收稿日期：2017-12-29;接收日期：2018-05-02 基金项目：中国科学技术协会青年人才托举工程项目(No. 2017QNRC001)，国家自然科学基金(No. 51603004)资助
摘要：未被合理处置的废塑料污染已成为全球性的环境问题，探索塑料废弃物的无害化处理技术势在必行。近来，研究证实了自然界中存在可以降解塑料的微生物及酶。利用微生物或酶对废塑料进行生物处理成为可能。聚氨酯塑料(Polyurethane, PUR)是广泛应用的通用塑料之一，其废弃物量已占到所有废塑料总体积的30%。文中将PUR塑料发明应用70年来有关微生物降解的研究进行了全面综述，对PUR塑料降解真菌、细菌、降解基因与酶、降解产物及相关的生物处理技术系统等进行了总结与分析，并对实现PUR废塑料高效生物处理需解决的关键科学问题进行了展望。
关键词：塑料污染 聚氨酯 微生物降解 解聚酶 生物处理
Microbial degradation of polyurethane plastics
Ruiting Peng1,2, Mengli Xia2, Jiakang Ru2, Yixin Huo2, Yu Yang2
1 School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China;
2 School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
Received: December 29, 2017; Accepted: May 2, 2018
Supported by: Young Elite Scientist Sponsorship Program of the China Association of Science and Technology (No. 2017QNRC001), National Natural Science Foundation of China (No. 51603004)
Corresponding author:Yu Yang. Tel/Tax: +86-10-68911329; E-mail: yooyoung@bit.edu.cn
Abstract: Plastic pollution has become a global environmental issue, making it necessary to explore the environmental disposal technology for plastic waste. Recently, we and other researchers have individually found microorganisms or enzymes from nature that can degrade synthetic plastic. These findings indicated that the capability of these microorganisms or enzymes to degrade plastic could be used for the disposal of plastic waste. Polyurethane (PUR) was one of the most used general plastic and its plastic waste occupied 30% of the total volume of different plastic waste. This review tried to provide a comprehensive summary of the researches on microbial degradation of PUR plastic in the past 70 years since its invention, and focused on the PUR-degrading fungi, bacteria, genes or enzymes, degradation products and the corresponding biological disposal technologies. We finally proposed the key scientific challenges on the development of high efficient biological disposal for PUR waste in the perspective researches.
Keywords: plastic pollution polyurethane microbial degradation depolymerase biotreatment
聚氨酯(Polyurethane, PUR)，全称为聚氨基甲酸酯。1937年，Otto Bayer首次以石油化学品为原料合成了PUR，并于20世纪50年代开始工业化生产[1]。由于具备良好的机械性能、热稳定性和耐久性，PUR塑料被广泛应用于保温建材、包装材料、汽车材料、合成革、鞋类材料、涂料、医用材料等。据统计，2016年全球PUR塑料年产量占合成塑料总产量的7.5%，达24.2 Mt；其中，中国的PUR塑料年产量达10.1 Mt[2]。
伴随PUR塑料的广泛应用，不可避免会产生大量的废弃物。当前，PUR废塑料量已占到所有废塑料总体积的30%[3]。传统的废塑料处理方法主要包括填埋、焚烧和回收。填埋在地下的废塑料数十年仍不能降解，不仅占用土地资源，还会产生有毒有害物质污染土壤和地下水[3]；焚烧法虽能解决占用土地资源问题，还能通过回收热量用于发电或供暖，但存在不完全燃烧产生二噁英、一氧化碳和氮氧化物等有毒气体和烟尘等二次污染问题的风险[3]；此外，由于PUR塑料种类繁多，使PUR废塑料的分类回收异常困难[3]。若PUR废塑料未被合理处理，一旦被丢弃到自然环境中，就会对自然景观和生态系统造成严重的破坏和威胁[4]。因此，开发对不同种类PUR废塑料具有普适性的无害化处理技术势在必行。
人工合成塑料及规模应用的历史尚不足80年，普遍认为这么短的时间不足以进化出可以分解利用塑料的微生物或酶[5]。因此，塑料在自然界中的降解速度十分缓慢。近来，笔者及其他研究者分别证实了自然界中存在可以分解塑料的微生物及酶，利用微生物或酶对废塑料进行生物处理成为可能[6-9]。文中将PUR塑料发明应用70年来有关微生物降解的研究进行了全面综述，对PUR塑料降解真菌、细菌、降解基因与酶、降解产物及相关的生物处理技术系统等进行了总结与分析，并对实现PUR废塑料高效生物处理需解决的关键科学问题进行了展望。
1 PUR的合成、化学结构及超分子结构PUR是由二异氰酸酯分子与多元醇分子聚合而成的一种具有氨基甲酸酯重复结构单元(?NHCOO?)的聚合物(图 1A)。通常，将含有异氰酸酯基链段称为硬段，决定PUR的硬度和强度；将含有多元醇自由基链段称为软段，决定PUR的弹性和延伸特性。PUR的材料性能首先取决于合成原料的化学结构和配比(图 1B)，改变多元醇和多异氰酸酯的种类和比例，可以创造无限的配方，制备出多种不同性能的PUR。例如，依据选择的原料多元醇分子的不同，PUR可被划分为聚酯型PUR和聚醚型PUR。其次，PUR的材料性能还取决于它的超分子结构(聚集态) (图 1C)。例如，线性结构的PUR弹性体，其分子链之间没有化学键结合，在受热或者受力情况下分子间可以相互移动，因此可以在适当的溶剂中溶解，加热时可以熔融。而熔融的温度往往取决于无定形相和结晶相的比例，也就是结晶度。交联网状结构的PUR泡沫塑料，其分子链之间形成了化学键，在受热或者受力情况下分子间不能相互移动，是不能溶解和熔融的。这时分子链也不能有序排列形成结晶结构。
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| 图 1 PUR的合成(A)、化学结构(B)及超分子结构(C) Figure 1 Synthesis (A), chemical structure (B) and supermolecular structure (C) of PUR. |
| 图选项 |
2 PUR塑料的降解真菌1968年，Darby和Kaplan[10]率先开展了真菌降解PUR塑料的研究，实验选取了4种二异氰酸酯和22种二元醇构成不同的配方，制备了100余种线性结构的聚酯型PUR或聚醚型PUR薄膜，并将薄膜分别贴在接种了7种不同真菌(表 1)的无机盐琼脂平板表面，观察各个菌株的生长情况；结果表明，所选7株真菌均能在聚酯型PUR膜表面大量生长，但都不能在聚醚型PUR膜表面生长。1979年，Filip[11]研究了两株真菌(表 1)以交联聚醚型PUR泡沫为唯一碳源的生长能力，培养30 d后，通过扫描电子显微镜(SEM)观察，仅发现少量菌株在泡沫上生长。1987年，Bentham等[12]利用麦芽糖培养基从土壤中掩埋的交联聚酯型PUR泡沫和线性聚酯型PUR板表面分离到了15株真菌(表 1)，在以聚酯型PUR泡沫为唯一碳源的无机盐培养基中，这些菌株21 d内能在PUR泡沫表面生长，并造成一定的重量损失。1994年，Crabbe等[13]从土壤中筛选到4株真菌(表 1)，这些真菌均能降解一种线性聚酯型PUR乳液(Impranil DLN, Bayer)，其中一株塞内加尔弯孢霉Curvularia senegalensis的降解效果最好。2003年，Barratt等[14]从土壤掩埋的PUR片材表面分离出3种真菌(表 1)，均能在含Impranil DLN琼脂平板上产生透明水解圈。2007年，Cosgrove等[15]采用聚合酶链式反应变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术分析了土壤掩埋PUR片材表面的真菌种群结构，发现在酸性和中性土壤中掩埋的PUR片材表面的优势真菌分别为毡状地丝霉Geomyces pannorum和茎点霉属真菌Phoma sp.，通过纯培养分离到这两种优势真菌及其他3种真菌(表 1)，这5种真菌均可在含Impranil DLN琼脂平板上产生透明水解圈。2010年，Matsumiya等[16]从环境样品中分离到一株真菌(表 1)，可以降解交联聚醚型PUR泡沫；在添加1% (W/V)葡萄糖的LB培养基中，该菌在70 d内能使交联聚醚型PUR泡沫的重量减少达27.5%；以苯氨基甲酸乙酯(EPC)和4, 4-二苯基甲烷二丁基脲(D-MDI)为底物，检测到该菌能分泌水解氨基甲酸酯键和脲键的胞外酶。2011年，Russell等[17]从番石榴茎干中分离到一株植物内生真菌(表 1)，该菌在厌氧和好氧条件下均能以Impranil DLN为唯一碳源，在2周内降解率达99%，酶学分析发现该菌分泌的丝氨酸水解酶对降解起到了至关重要的作用。2012年，Mathur等[18]从垃圾堆土壤中分离出一株真菌(表 1)，以线性聚酯型PUR膜为唯一碳源，该菌在30 d内使薄膜的重量减少了60.6%。2016年，álvarez-Barragán等[19]从花园土壤、垃圾场、空气及冷藏室中分离到8株真菌(表 1)，这些真菌均能在含Impranil DLN的平板和含线性聚醚型PUR乳液(Poly Lack, Sayer Lack Mexicana)平板上产生透明水解圈；以Impranil DLN为唯一碳源，在2周内降解率达75%–85%。在马铃薯葡萄糖培养基(PDB)中，这8株菌在21 d内能使交联聚醚型PUR泡沫的重量减少达10%–65%。2017年，Khan等[20]从垃圾场中分离出一种真菌(表 1)，该菌在沙氏琼脂平板(SDA)上能降解线性聚酯型PUR薄膜形成肉眼可见孔洞，在含2% (W/V)葡萄糖的无机盐培养基中，该菌在2个月内能将线性聚酯型PUR薄膜降解成碎片。同年，Osman等[21]从垃圾场中分离出另一种真菌(表 1)，以线性聚酯型PUR膜为唯一碳源，该菌在28 d内使薄膜的重量减少了20%。
表 1 PUR塑料的降解真菌Table 1 PUR-degrading fungi
| Year | Strains | Source | PUR typea | Reference |
| 1968 | Aspergillus niger QM386, Aspergillus flavus QM380, Aspergillus versicolor QM432, Penicillium funiculosum QM391, Pullularia pullulans QM279c, Trichoderma sp. QM365, Chaetomium globosum QM459 | – | L-PS/L-PE film | [10] |
| 1979 | Aspergillus niger, Cladosporium herbarum | Environment | C-PE foam | [11] |
| 1987 | Aspergillus fischeri IMI301296, Aspergillus niger IMI314389, Aspergillus ustus IMI314382, Aspergillus versicolor IMI314286, Emericella nidulans IMI314388, Fusarium culmorum IMI314383, Fusarium solani IMI314385, Penicillium chrysogenum IMI314384, Penicillium chrysogenum IMI314387, Trichoderma harzianum IMI304500, Trichoderma harzianum IMI 314381, Gliocladium roseum IMI304501, Penicillium strains 1-2 | Soil | C-PS foam L-PS film | [12] |
| 1994 | Fusarium solani, Curvularia senegalensis, Aureobasidium pullulans, Cladosporium sp. | Soil | DLN emulsion | [13] |
| 2003 | Nectria gliocladioides, Penicillium ochrochloron, Geomyces pannorum | Soil | L-PS film DLN emulsion | [14] |
| 2007 | Geomyces pannorum, Phoma sp., Penicillium inflatum, Neonectria ramulariae, Penicillium viridicatum | Soil | L-PS film DLN emulsion | [15] |
| 2010 | Alternaria sp.PURDK2 | Environment | C-PE foam | [16] |
| 2011 | Pestalotiopsis microspora E2712A | Plant | DLN emulsion | [17] |
| 2012 | Aspergillus flavus ITCC 6051 | Soil | L-PS film | [18] |
| 2016 | Cladosporium pseudocladosporioides T1.PL.1, Cladosporium tenuissimum A2.PP.5, Cladosporium tenuissimum A3.I.1, Cladosporium asperulatum BP8.I.3, Cladosporium asperulatum BP3.I.2, Cladosporium montecillanum A2.H.4, Aspergillus fumigatus A2.PL.1, Penicillium chrysogenum BP3.I.7 | Soil, dumpsite, air, insulation | DLN emulsion PolyLack emulsion C-PE foam | [19] |
| 2017 | Aspergillus tubingensis | Dumpsite | L-PS film | [20] |
| 2017 | Aspergillus sp. S45 | Dumpsite | L-PS film | [21] |
| a: L-PS indicates linear polyester polyurethane; L-PE indicates linear polyether polyurethane; C-PS indicates crosslinking polyester polyurethane; C-PE indicates crosslinking polyether polyurethane. | ||||
表选项
3 PUR塑料的降解细菌相比真菌而言，细菌降解PUR的报道出现较晚。1991年，Kay等[22-23]从掩埋于土壤中的线性聚酯型PUR塑料表面分离和鉴定出12株细菌(表 2)，以交联聚酯型PUR泡沫为唯一碳源，发现只有菌株棒状杆菌属细菌Corynebacterium sp. B12和铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa B16能降解交联聚酯型PUR泡沫，在12周内使重量损失达15.77%和9.3%，力学强度下降了47.61%和16.57%，添加入1% (W/V)酵母提取物，有利于促进其他菌株对PUR的降解。1991年，Jansen等[24]从感染的导尿管(一种线性聚醚型PUR弹性体)上分离出一株细菌(表 2)，该细菌能以聚醚型PUR为唯一碳源存活，并产生脲酶降解聚醚型PUR。1995年，Nakajimakambe等[25-26]从土壤中分离到一株细菌(表 2)，当以线性聚酯型PUR作唯一碳源时，该菌能在7 d内几乎能完全降解加入的塑料；当以线性聚酯型PUR既作为唯一碳源又作为唯一氮源时，该菌在7 d内降解了48%加入的塑料。1998–2012年间，Howard等[27-32]从土壤等环境中分离出5株细菌(表 2)，这些细菌均能在含Impranil DLN平板上产生透明水解圈，并且以Impranil DLN为唯一碳源生长。2007年，Oceguera-Cervantes等[33-34]从垃圾场的废弃PUR泡沫中分离到2株细菌(表 2)，这些菌能利用一种线性聚酯型PUR乳液(Hydroform, Polyform)和其他4种线性聚酯型PUR膜作为唯一碳源生长。同年，Gautam等[35]发现一株细菌绿针假单胞菌Pseudomonas chlororaphis ATCC55729可以降解线性聚酯型PUR泡沫。Nair等[36]从PUR塑料垃圾污染的水体中分离出一株细菌(表 2)，该菌能利用Impranil DLN为唯一碳源生长，并能在含Impranil DLN平板上产生透明水解圈。2008年，Shah等[37]从土壤中掩埋6个月的线性聚酯型PUR膜上分离出5株细菌(表 2)，这些菌均能在含线性聚酯型PUR为唯一碳源的无机盐琼脂平板上生长。2013年，Shah等[38-40]又从土壤中分离出了2株细菌(表 2)，这两株细菌能以线性聚酯型PUR膜作为唯一碳源生长，在30 d内能使重量损失达到20%；当将两株菌进行混合培养，在30 d内能使重量损失达到40%。2014年，Peng等[41]从土壤中分离到一株细菌(表 2)，该菌能以Impranil DLN为唯一碳源生长，并能在4 d内降解92%的Impranil DLN。2015年，Nakkabi等[42-43]从腐烂的木材中分离到两株细菌(表 2)，均能在含0.6% (V/V) Impranil DLN的LB培养基中生长并降解Impranil DLN。2017年，本课题组[44]从载人航天器的冷凝水中分离到一株细菌(表 2)，该菌能在含Impranil DLN平板上产生透明水解圈，并能以线性聚酯型PUR膜作为唯一碳源生长，在60 d内能使重量损失达到19%；这应该是首次报道既能降解聚酯型PUR乳液又能降解聚酯型PUR薄膜的细菌。
表 2 PUR塑料的降解细菌Table 2 PUR-degrading bacteria
| Year | Strains | Source | PUR typea | Reference |
| 1991 | Serratia rubidaea B2, Corynebacterium sp. B3, Corynebacterium sp. B4, Alcaligenes denitnficans B5, Corynebacterium sp. B6, Enterobacter agglomerans B7, Corynebacterium sp. B8, Corynebacterium sp. B10, Pseudomonas maltophilia B11, Corynebacterium sp. B12, Aeromonas salmonicida B13, Pseudomonas aeruginosa B16 | Soil | C-PS foam | [22] |
| 1991 | Staphylococcus epidermidis KH11 | Catheter | L-PE elastomer | [24] |
| 1995 | Comamonas acidovorans TB-35 | Soil | L-PS film | [25-26] |
| 1998 | Bacillus sp. | Soil | DLN emulsion | [27] |
| 1998 | Pseudomonas fluorescens | Soil | DLN emulsion | [28] |
| 1999 | Pseudomonas chlororaphis | Soil | DLN emulsion | [29-30] |
| 2002 | Bacillus subtilis | Soil | DLN emulsion | [31] |
| 2007 | Alicycliphilus sp. BQ1, Alicycliphilus sp. BQ8 | Dumpsite | Hydroform emulsion /L-PS elastomer | [33-34] |
| 2007 | Pseudomonas chlororaphis ATCC55729 | - | C-PS foam | [35] |
| 2007 | Bacillus pumilus NMSN-1d | Dumpsite | DLN emulsion | [36] |
| 2008 | Bacillus sp. AF8, Pseudomonas sp. AF9, Micrococcus sp. AF10, Arthrobacter sp. AF11, Corynebacterium sp. AF12 | Soil | L-PS film | [37] |
| 2012 | Acinetobacter gerneri P7 | Soil | DLN emulsion | [32] |
| 2013 | Bacillus subtilis MZA-75, Pseudomonas aeruginosa MZA-85 | Soil | L-PS film | [38-40] |
| 2014 | Pseudomonas putida A12 | Soil | DLN emulsion | [41] |
| 2015 | Bacillus safensis, Bacillus subtilis | Wood | DLN emulsion | [42-43] |
| 2017 | Bacillus sp. S10-2 | Spacecraft | DLN emulsion/ L-PS film | [44] |
| a: L-PS indicates linear polyester polyurethane; L-PE indicates linear polyether polyurethane; C-PS indicates crosslinking polyester polyurethane; C-PE indicates crosslinking polyether polyurethane. | ||||
表选项
4 PUR塑料的降解基因与酶PUR塑料降解基因与酶的研究也取得了一定进展，为认识PUR塑料生物降解的基因和酶学机制提供了基础(表 3)。1987年，Phua等[45]发现来自番木瓜的蛋白水解酶Papain可以切断氨基甲酯单元中的脲键，造成线性聚醚型PUR弹性体的降解。1993年，Santerre等[46-47]发现来自牛胰腺的胆甾醇酯酶Cholesterol esterase可以水解14C标记的线性聚酯型PUR弹性体中软段的酯键。1994年，Crabbe等[13]从一株聚酯型PUR降解菌株Curvularia senegalensis中纯化出一个28 kDa的酯酶，能作用聚酯型PUR软段中的酯键。1996年，Labrow等[48]发现来自猪胰腺的弹性蛋白酶Elastase能切断氨基甲酯单元中的脲键，造成14C标记的线性聚酯型PUR弹性体降解。1998年，Akutsu等[49-50]从聚酯型PUR降解菌株嗜酸丛毛单胞菌Comamonas acidovorans TB-35中克隆到一个基因pudA，它编码的酯酶可以水解聚酯型PUR中的酯键。同年，Howard等[28]从菌株荧光假单胞菌Pseudomonas fluorescens中纯化出一个29 kDa的蛋白酶，可以切断PUR中氨基甲酯单元的脲键。1999年，Howard等[51-52]又从菌株Pseudomonas fluorescens中克隆到一个基因pulA，它编码的酯酶可以水解聚酯型PUR中的酯键。此外，Howard等[53]还从菌株Comamonas acidovorans中纯化出一个42 kDa的酯酶；从菌株Pseudomonas chlororaphis[54-55]中纯化出3个分子量分别为27 kDa、63 kDa和31 kDa的酯酶，可以水解聚酯型PUR中的酯键。2000年，Howard等[56-57]自菌株Pseudomonas chlororaphis中克隆到2个基因pueA和pueB，它们编码2个不同分子量的脂肪酶，可以水解聚酯型PUR中的酯键。2002年，Howard等[31]还从菌株枯草芽胞杆菌Bacillus subtilis中纯化出一个28 kDa的脂肪酶，可以水解聚酯型PUR中的酯键。2007年，Gautam等[58]从皱褶假丝酵母Candida rugosa中纯化出一个59 kDa的脂肪酶，可以水解聚酯型PUR中的酯键。2011年，Russell等[17]从真菌小孢拟盘多毛孢菌Pestalotiopsis microspora E2712A鉴定出一个21 kDa的丝氨酸水解酶，可以切断PUR中氨基甲酯单元的脲键。2012年，Howard等[59]还从菌株Acinetobacter gerneri P7中纯化出一个66 kDa的脂肪酶，可以水解聚酯型PUR中的酯键。2014年，Peng等[41]还从菌株恶臭假单胞菌Pseudomonas putida中纯化出一个45 kDa的酯酶，可以水解聚酯型PUR中的酯键。
表 3 PUR塑料的降解基因与酶Table 3 Genes and enzymes involved in biodegradation of PUR
| Year | Enzyme/Gene | Size | Source | Substrate | Reference |
| 1987 | Papain | 23 kDa | Carieapapaya | Urea bonds | [45] |
| 1993 | Cholesterol esterase | – | Bovine pancreas | Ester bonds | [46-47] |
| 1994 | Esterase | 28 kDa | Curvularia senegalensis | Ester bonds | [13] |
| 1996 | Elastase | – | Porcine pancreas | Urea bonds | [48] |
| 1998 | Esterase/pudA | 62 kDa/2 174 bp | Comamonas acidovorans TB-35 | Ester bonds | [49-50] |
| 1998 | Protease | 29 kDa | Pseudomonas fluorescens | Urea bonds | [28] |
| 1999 | Esterase/pulA | 48 kDa/1 400 bp | Pseudomonas fluorescens | Ester bonds | [51-52] |
| 1999 | Esterase | 42 kDa | Comamonas acidovorans | Ester bonds | [53] |
| 1999 | Esterase | 27 kDa | Pseudomonas chlororaphis | Ester bonds | [54] |
| 1999 | Esterase & Protease/ Esterase | 63 kDa 31 kDa | Pseudomonas chlororaphis | Ester & Urea bonds | [55] |
| 2000 | Lipase/pueA | 65 kDa/1 851 bp | Pseudomonas chlororaphis | Ester bonds | [56] |
| 2001 | Lipase/pueB | 60 kDa/1 695 bp | Pseudomonas chlororaphis | Ester bonds | [57] |
| 2003 | Lipase | 28 kDa | Bacillus subtilis | Ester bonds | [31] |
| 2007 | Lipase | 59 kDa | Candida rugosa | Ester bonds | [58] |
| 2011 | Serine hydrolase | 21 kDa | Pestalotiopsis microspora E2712A | Urea bonds | [17] |
| 2012 | Lipase | 66 kDa | Acinetobacter gerneri P7 | Ester bonds | [59] |
| 2014 | Esterase | 45 kDa | Pseudomonas putida | Ester bonds | [41] |
表选项
5 PUR塑料的生物降解产物1981年，Martens等[60]为探明PUR塑料生物降解过程中是否释放有毒性的苯胺类降解产物，以14C标记甲基的2, 4-或2, 6-TDI和14C标记亚甲基的4, 4-MDI为硬段原料(图 1B)合成了聚酯型和聚醚型PUR泡沫。再以14C标记PUR泡沫为唯一碳源，接种垃圾渗滤液为微生物源，培养2个月后，利用薄层色谱(TLC)分离和14C放射性检测，证明苯胺类小分子化合物是PUR的生物降解产物。1997年，Wang等[61]利用超滤-冷冻干燥-固液萃取制备样品并以高效液相色谱-串联质谱(HPLC-MS/MS)为检测手段，分析了胆甾醇酯酶Cholesterol esterase降解一种聚酯型PUR (以聚己内酯二元醇和2, 4-TDI为原料)的降解产物。发现主要的降解产物为PUR的软段中的酯键断裂后的小分子化合物。1997年，Nakajimakambe等[26]以聚二乙二醇己二酸酯二元醇和2, 4-TDI为原料合成了线性聚酯型PUR，利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)研究了细菌嗜酸丛毛单胞菌Comamonas acidovorans TB-35降解该种PUR的中间产物。发现主要的降解产物为二乙二醇、己二酸和三羟甲基丙烷。2007年，Gautam等[35]也研究了绿针假单胞菌Pseudomonas chlororaphis ATCC 55729降解同种线性聚酯型PUR的产物。利用GC检测到了二乙二醇，并发现可溶性氨氮类产物。2013年，Shah等[38-39]以聚丁二醇己二酸酯二元醇和4, 4-MDI为原料合成了线性聚酯型PUR，利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)研究了两株细菌枯草芽胞杆菌Bacillus subtilis MZA-75和铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa MZA-85降解该类PUR的中间产物，发现主要是丁二醇和己二酸。以上研究表明，聚酯型PUR生物降解主要发生在含酯键的软段。
6 PUR塑料生物处理技术系统在已经发现环境中(如土壤)存在PUR塑料降解土著微生物，并分离筛选到了一定数量的PUR塑料降解纯菌的研究基础上，如何加以利用进一步形成生物处理技术系统是一个实际问题。
在土壤环境中，PUR塑料的生物降解速率是较为缓慢的[12]。生物促进(Biostimulation)是通过添加外源生物促进剂刺激土著降解微生物菌群的生长而加速污染物降解，而生物强化(Bioaugmentation)是通过添加外源微生物菌剂补充降解微生物来促进污染物降解的技术[62]。2012年，Cosgrove等[62]首次尝试构建生物促进和生物强化技术系统对土壤环境中PUR塑料污染物进行加速生物降解处理。以力学性能作为评价指标，添加Impranil DLN和酵母提取物作为生物促进剂时，能将线性聚酯型PUR片材的降解率提高了62%；添加PUR降解真菌毛藻丛赤壳菌Nectria haematococca、绿纯青霉Penicillium viridicatum、赭绿青霉Penicillium ochrochloron、毛霉属真菌Mucormycotina sp.时[14-15]，使线性聚酯型PUR片材的降解率提高了30%–70%。PCR-DGGE分析表明，生物促进和生物强化改变了土壤环境原有的真菌种群结构，是导致生物降解效率提高的原因。但是，外加的PUR降解真菌并没有成为优势菌。
传统堆肥一般都是采用控制环境条件的方法，利用堆制原料中的土著微生物来降解有机污染物，是一种典型的有机固体废弃物集中式规模化生物处理技术系统。因此，现行的塑料生物降解性能评价标准也多将实验室模拟堆肥作为生物降解测试系统[63]。1998年，Kim等[64]构建了一个实验室规模的好氧堆肥系统，测试了7种不同化学结构的线性聚酯型PUR片材的降解情况，在45 d内重量损失为4.7%–50.7%。2012年，Krasowska等[65]构建了一个中试规模自然条件下的堆肥系统，测试了3种PUR片材(包括1种线性聚酯型、1种交联聚酯型和1种线性聚醚型)的降解情况；24个月内，3种PUR的重量损失为10.7%、42.9%和1.3%。聚酯型PUR降解速率显著高于聚醚型PUR。2013年，Zafar等[66]研究了25 ℃、45 ℃和50 ℃温度下堆肥对线性聚酯型PUR片材的降解情况。发现温度对降解效果的影响并不显著。2014年，Zafar等[67]又研究了在商业化堆肥(60–75 ℃)中线性聚酯型PUR片材的降解情况。发现28 d后PUR片材的力学性能显著下降。按照塑料生物降解性能堆肥测试标准，可堆肥化的要求是180 d内的生物降解率大于60%[63]。由于PUR在当前堆肥系统中的生物降解率还达不到上述要求[64-67]，所以当前堆肥系统尚不能用于PUR塑料的生物处理。这可能是堆制原料中土著微生物菌群结构中PUR塑料降解菌种占比很低的缘故[67]。是否可以借鉴生物强化技术的原理，通过接种已分离的PUR塑料降解微生物菌剂，与现有堆制原料进行混合堆肥，以期提高PUR塑料的生物降解率，有待进一步研究[68]。
7 关键问题与展望过去50余年的研究表明，自然界中已经进化出了PUR塑料的生物降解途径，为进一步探索PUR废塑料的生物降解处理技术提供了依据，也为努力解决日益严重的塑料污染环境问题提供了解决思路。然而，当前所发现的PUR塑料降解途径的降解速率依然比较低，离实际应用还有较远的距离。据此，我们认为要实现PUR塑料高效生物降解还有以下关键问题需要解决：
1) PUR塑料降解微生物的分离与筛选。当前分离到的PUR塑料降解真菌和细菌绝大部分是从土壤或者垃圾填埋场中分离得到的。由于只能分解软段聚酯多元醇分子的酯键，而不能分解氨基甲酸酯重复结构单元(?NHCOO?)的酯键或脲键，所以这些菌株只能降解聚酯型PUR，而不能降解聚醚型PUR。因此，开发和改进相应的分离筛选方法，尝试从不同的环境样品中分离和筛选具有分解氨基甲酸酯重复结构单元(?NHCOO?)的酯键或脲键的微生物，对于真正实现不同种类PUR塑料的普适性生物降解具有重要的意义。
2) PUR塑料的生物代谢途径。当前对PUR塑料降解菌株中起降解作用的酶进行分离纯化和生化性质的研究还不多。目前为止，只有4个细菌来源的PUR降解基因被克隆鉴定，而来自真菌的PUR降解基因还未被报道(表 3)。此外，当前关注的酶还仅仅是降解过程中第一步的长链分子解聚酶，对解聚后的降解产物如单体和寡聚物的进一步代谢相关的酶还没有研究。确定PUR塑料及其降解产物的降解功能基因和关键酶，解析PUR塑料降解的代谢通路，对构建PUR塑料的高效降解基因工程菌具有重要意义。
3) 超分子结构(凝聚态)对PUR塑料生物降解的影响。当前发现的PUR塑料降解微生物或酶对PUR乳液(如Impranil DLN)的降解效率远高于PUR片材和泡沫的效率。因为PUR乳液是水分散型，而PUR片材和泡沫是非水溶性固体物质，本身的超分子结构(凝聚态)，如结晶、相分离和交联等，都可能是影响微生物或酶对PUR塑料可及度的重要因素。因此，深入研究超分子结构(凝聚态)对PUR生物降解的影响规律，创造克服这些影响因素的办法，对实现PUR塑料的生物降解效率具有重要意义。
4) PUR塑料废弃物生物处理技术系统。如何能使选育的PUR塑料降解微生物或酶长时间稳定地规模化工作，是实现PUR塑料废弃物生物处理技术实际应用的关键。这就要求我们从工程的角度，首先确定PUR塑料废弃物生物处理技术系统的可能形式，如生物强化、生物堆肥和生物反应器等；其次重点研究具有显著优势工程化形式的重要工程控制因素，通过不断地优化，最终实现PUR塑料废弃物生物处理技术的规模化实际应用。
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