本文討論了最具全球性的新興問題之一——塑料和微塑料。塑料、微塑料、微生物、生物技術、環境和人類是探索2010年至今研究工作的關鍵詞。文章介紹了塑料、微塑料和納米塑料的分類、類型、分布、攝入、命運、影響、降解和對人類和野生動物的影響。重點介紹了目前對微生物輔助塑料、微塑料和納米塑料的生物技術降解研究，并探討了相關的降解特性和機制。特別是生物，如細菌，真菌等分解各種塑料的研究。值得注意的是，還提出了使用微生物降解塑料的可持續概念的觀點。

2.1. 微塑料和納米塑料的定義

2004年，Thompson等人首次提出了“微塑料”一詞?？茖W界目前采用的通用定義是微塑料和納米塑料是尺寸小于5毫米的塑料顆粒。如圖所示，塑料的尺寸分為以下幾種: 納米塑料、微塑料、中塑料、宏觀塑料和巨型塑料。

2.2. 微納米塑料的分類

微納米塑料按來源分為初級微納米塑料和次級微納米塑料。初級微塑料和納米塑料是專門生產的小尺寸塑料珠。它們通常用于潔面產品、化妝品或爆炸性技術。在某些情況下，初級微塑料和納米塑料也被用作治療分子的載體來治療疾病。次級微塑料和納米塑料只是由大塑料片分解得到的小塑料片。它們是塑料碎片暴露在天氣和陽光下時由塑料碎片形成的。此外，塑料碎片將大量的塑料材料分解成更小的碎片。其中，一些塑料的化學結構和密度如表所示。

表1.塑料及其化學結構。

2.3. 微塑料和納米塑料：是福還是禍

20世紀初，塑料被譽為一種多功能材料。這種多用途材料因其輕巧、耐用、可改造、防水、絕緣體好、價格便宜等兼收并收的卓越性能而備受關注。近年來，微塑料和納米塑料被制成顆粒、薄膜、泡沫、纖維和球體。此外，幾種添加劑，如顏料、增塑劑、阻燃劑和抗氧化劑，在塑料制造過程中加入，這增強了塑料的性能和應用。然而，不幸的是，塑料的一些優點導致了對健康和環境的不利影響。例如，由于塑料的耐用性，它不會分解，因此，到目前為止，幾乎每一個塑料分子仍在環境中，并將在數百年內保持這種狀態。

此外，人們一直擔心塑料可能造成有害和令人討厭的污染。最近，人們對化妝品、灰塵顆粒、飲食習慣和塑料制品中的微塑料和納米塑料上癮。因此，科學家們認為，塑料一直是一種奇妙的創造，由于人類不加控制的使用，它突然從恩惠變成了禍害，這對生態產生了重大影響。

3.1. 微塑料和納米塑料分布

微塑料和納米塑料廣泛分布在整個生態系統中。它們可以在淡水、咸水、深海床、冰芯、土壤、空氣、生物體甚至人體中找到。了解不同途徑的作用和重要性對于優先考慮減少微塑料和納米塑料數量至關重要。

所有侵蝕和沖刷土地的物質都將處于水環境中。因此，一些研究表明，在所有大型湖泊中都發現了微塑料和納米塑料，其總濃度為每平方公里43,000個顆粒。先前在淡水生態系統中發現的微塑料和納米塑料的最大濃度水平為4000顆粒/公斤(在萊茵河中記錄)。2018年進行的一項研究發現，微塑料和納米塑料占海洋表面塑料碎片總量的92%。據科學家估計，到2020年，地球海床將含有約1400萬噸微塑料和納米塑料。根據海洋保護協會的數據，中國、泰國、印度尼西亞、菲律賓和越南這五個國家向海洋傾倒的塑料比其他所有國家加起來還多。Kelly等人表明，在南極洲東部的一個冰芯中發現了來自14種不同聚合物的96種微塑料和納米塑料。此前在南極地表水和北極海冰中發現了塑料污染，這是首次在南極海冰中發現。在濕地環境中，微塑料和納米塑料的濃度與植被蓋度和莖密度相關。土壤動物，如蚯蚓、蜱蟲和捕食者，可以通過消化過程將消耗的塑料減少為微塑料和納米塑料，從而影響土壤中二級微塑料和納米塑料的水平。

此外，在室內和室外的大氣中都可以發現微塑料和納米塑料。2019年進行的一項研究表明，微塑料和納米塑料通過風在空氣中傳播到偏遠地區。室內空氣中的微纖維含量為每立方米1.0至60.0微纖維(33%為微塑料和納米塑料)。另一項評估德黑蘭街道灰塵顆粒中微塑料和納米塑料含量的研究顯示，10個街道灰塵樣本中含有2649個微塑料和納米塑料，樣品濃度為每30.0 g街道灰塵83至605個顆粒(±10個)。

3.2. 微塑料的影響

3.2.1. 對環境和生物的影響

微塑料和納米塑料被認為是無毒的惰性顆粒。然而根據暴露程度和易感性，微塑料和納米塑料目前被認為對生物體有潛在危害。最近，有證據表明微和納米塑料對微生物的影響。特別是，Oliveira等人將對生物體的潛在危害分為生物效應、化學效應和物理效應。纏結和攝入塑料顆粒是對身體最嚴重的兩種影響。纏結、刮傷、內部和外部潰瘍以及胃腸道阻塞會對消耗微納米塑料的生物體造成物理損傷或死亡。此外，微塑料和納米塑料會堵塞食物通道或粘在組織上。幾乎在所有動物學水平上都可以檢測到微塑料和納米塑料的攝入，例如浮游動物、魚類、深海無脊椎動物、蠕蟲、蛤蜊、牡蠣、海龜、海豚、鯨魚和海鳥。它可能不會直接殺死生物體，然而攝入微塑料和納米塑料會造成慢性影響，這是一個重大問題。微塑料和納米塑料通過不同的途徑和機制被意外攝入，對動物造成有害影響。例如，聚苯乙烯可以遷移到血液循環中。對于牡蠣，暴露于聚苯乙烯兩個月后，發現卵母細胞計數，精子直徑和速度減少。

3.2.2. 對人類健康的影響

由于微和納米塑料的高表面積，可能導致細胞毒性、氧化應激和向其他組織的遷移。此外，微塑料和納米塑料是持久性的，因此它們從體內被清除的可能性很小。這會導致慢性炎癥，增加患癌癥的幾率。另一方面，微塑料和納米塑料也可能與免疫疾病或神經退行性疾病有關。此外，微塑料和納米塑料可能會從其基質結構中釋放化學物質，或者從生態系統中吸收化學物質，或者作為攜帶和傳播有害微生物的媒介，從而產生毒性。

當使用化妝品、磨砂膏、牙膏、洗手液甚至瓶裝水時，主要的微塑料和納米塑料顆粒會被我們的身體吸收。微型和納米塑料中含有的有毒化學物質，如多氯聯苯或鄰苯二甲酸鹽，以及吸附在微型和納米塑料表面的其他污染物，由于微型和納米塑料的物理性質，可能對人體有害。此外，微納米塑料在海產品(如攝入微納米塑料的蛤、牡蠣、螃蟹、海參和魚類)中的積累也嚴重危害消費者的健康。牙膏中的微、納米塑料和微珠碎片會在不知不覺中被消耗，并通過消化系統積累。德國聯邦政府已經評估了含有微聚乙烯顆粒的洗面奶、洗手液、牙膏和其他口腔護理產品的健康風險。結果表明，長期使用含有大于1 μm微塑料的面部去角質產品和沐浴露產品，會導致組織中聚丙烯和聚乙烯顆粒的積累，對皮膚有害。此外，微塑料和納米塑料的吸收會引起染色體的變化，導致不育、癌癥和肥胖。下圖描述了微塑料和納米塑料污染對人體健康的各種影響。

圖3.塑料污染對人類健康的不利影響。

3.3. 微塑料、納米塑料污染治理及其解決方案

河流流域、淡水湖泊（天然和人工）和廢水處理廠的塑料、微塑料和納米塑料廢物污染直接影響生活用水、健康和當地經濟狀況。2017年，全球各條河流每年流入的塑料中有67%來自亞洲。由于相對穩定的物理化學性質，微納米塑料可以在環境中持續很長時間。自然界中的塑料，尤其是微塑料和納米塑料，會對水體、野生動物、生態系統和人類健康產生負面影響。2018年，一項對19個不同國家的10個城市的瓶裝飲用水中微塑料和納米塑料含量的研究發現：在研究的259個樣本中，高達93%的樣本被微塑料和納米塑料污染，10升瓶裝水中平均有4.100個顆粒。特別是，聚丙烯是最受歡迎的微納米塑料類型，比例為54%，這也是用于生產瓶蓋的塑料。此外，研究結果還表明，小尺寸的微納米塑料（6.5-100 μm）在325 L瓶裝水中的濃度為1個顆粒。從研究結果可以得出結論，瓶裝水中存在源自制造和裝瓶過程的微納米塑料顆粒。在81個國家的159個自來水樣本中，有12%含有廢棄的微塑料和納米塑料，其中98.3%是長度從0.1毫米到5毫米不等的塑料纖維。如圖所示，Kosuth及其同事提出了一個模型，估計每個人通過飲食每年消耗約5800個微納米塑料，其中大部分來自生活用水（88%）。

圖4.世界各國自來水樣品中含有微塑料和納米塑料的比率。

3.4. 微納米塑料污染處理的解決方案

微塑料和納米塑料污染的解決方案可分為遏制、緩解和分離。所有這三組方法都旨在通過影響感染源來限制微塑料和納米塑料滲透到環境中。遏制解決方案主要側重于塑料掩埋和回收。為了很好地實施這一解決方案，有必要對廢物進行正確分類，并確保必須關閉垃圾填埋場，以限制微塑料和納米塑料滲入環境。緩解解決方案的重點是制定法規和政策，以控制微塑料和納米塑料流入的數量。制定嚴格的亂扔垃圾法規，以減少廢物處理以及微塑料和納米塑料污染（UNEA，2016）。一些國家已經禁止在化妝品中非法使用微塑料和納米塑料（UNEA，2016）。政府資助教育活動，以鼓勵其他國家可接受的廢物管理實踐，例如回收和使用廢物容器（UNEA，2016）。此外，專注于從廢水流中分離微塑料和納米塑料，這將防止它們進入生態系統。然而，廢水和處理過的污泥仍然可能被微塑料和納米塑料污染。

4.1. 概述

沒有微生物活動，塑料的降解率通常很低。根據聚合物類型和環境條件的不同，它們的半衰期可以從數億年到數百萬年不等。所有曾經生產的塑料今天仍然存在(除了燃燒材料)。目前，微、納米塑料在微生物存在下的生物降解正變得越來越明顯。微生物被認為是分解許多微塑料和納米塑料的環保方案，包括低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PE)、聚己內酯(PCL)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)和聚氯乙烯(PVC)。聚合物分子可以被微生物積累、代謝或被它們的細胞外酶分解。表中列出了幾項關于微和納米塑料生物降解效率的研究。

表2.微生物對塑料的降解效率。

4.2. 細菌降解微塑料和納米塑料

細菌通過酶的代謝活動將不同的復雜化學結構轉化為不太復雜的化學結構。特定材料的特性，如表面自由能、表面粗糙度、表面靜電相互作用和表面疏水性，會影響細菌生物膜的形成。一項研究表明，在冰冷的海水（波羅的海沿岸）中積累的微納米塑料表面兩周后形成了含有紅桿菌屬的膜。還觀察到，在低環境溫度下，塑料的降解性非常差。地球大部分地區通常是寒冷的（<5°C）和無人居住，因為超過70%的地球被海水覆蓋，主要是深海，三分之二的穩定溫度只有大約2°C。然而，細菌仍然可以在這種不利條件下生存和生長，并具有許多明顯的特征。其中，寒冷地區的一些微生物能夠分解塑料。越來越多的塑料垃圾泄漏到海洋中，可以為底棲生物的生長創造新的土壤。在海水中，塑料釋放溶解的有機碳，刺激異養細菌的性能。通過適應新的碳源，細菌可以產生能夠降解塑料的新酶。因此，塑料垃圾生物降解的潛在可能性包括海洋微生物。

在用于生物降解的顯著微生物物種中，關節桿菌、棒狀桿菌、微球菌、假單胞菌、紅球菌和鏈霉菌最常被強調。從南極洲西北部三個冰川的冰錐巖中獲得的十二種菌株可以產生脂肪酶。這種酶水解脂質和一些聚酯中的酯鍵。發現具有脂肪酶性能的適應寒冷的細菌菌株對于生物降解至關重要，因為一些脂肪酶可以水解聚酯塑料，例如聚己內酯。除了上面提到的脂肪酶外，可生物降解的潛在酶包括解聚酶（聚（-β-羥基丁酸酯）（PHB）解聚酶，聚羥基鏈烷酸（PHA）解聚酶，聚己內酯（PCL）解聚酶，聚（L-乳酸）（PLA）解聚酶），蛋白酶（抗蛋白酶K），角質酶，酯酶，脲酶和脫水酶。添加含有添加劑的聚合物會影響其熱敏感性和吸收紫外線的能力，從而加速生物降解。此外，化學敏感的聚合物允許微生物更有效地附著和生長。一項研究報告稱，在-1°C下生長的細菌可以釋放出最令人難以置信的蛋白酶。在最近的一項研究中，Austin等人表征并提出了一種能夠降解PET塑料的新酶。它是PETase（PET消化酶），PETase可以有效地降解一種重要的聚乙烯-2，5-呋喃二羧酸酯，PET替代品，可能回收生物基塑料。

塑料污染，特別是微塑料和納米塑料污染，對環境、生物甚至人類造成了許多負面影響。已經提出了許多塑料廢物處理的解決方案(三個主要的解決方案:遏制、緩解和分離)。近年來，微塑料和納米塑料的生物降解方法引起了人們的極大關注，這些方法被認為是綠色環保的。本研究著重強調了最近的研究成果，這些發現證明了許多生物可以生物降解微納米塑料，如藻類，真菌，細菌，甚至昆蟲(蠕蟲)。已經檢索了Scopus數據庫中的數據和參考文獻，以了解關于該主題的所有可用研究報告。特別是，塑料的尺寸分為:納米塑料，微塑料，中塑料，宏觀塑料和巨型塑料。根據來源，塑料分為兩種:初級塑料和次級塑料。由于塑料的耐用性，它不會分解。實際上，微塑料和納米塑料的每一個分子都廣泛分布在整個生態系統中，并可能對環境、生物和人類健康產生重大影響。聚合物分子可以被微生物積累、代謝，或者被它們的細胞內或細胞外酶分解。自然地，細菌、真菌、藻類、藍藻和酶可以將不同的化學結構轉化并分解成不那么復雜的結構。值得注意的是，這些物種在塑料廢物處理中的應用還沒有得到有效和廣泛的應用。