Research progress in biodegradation of polyhydroxyalkanoate （PHA） under different conditions

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.04.015

Abstract

Abstract:

Polyhydroxyalkanoate （PHA） as a biodegradable plastic has been gradually developed into an alternative to traditional plastics due to its similar physicochemical properties to traditional plastics together with environmentally friendly characteristics. Upon reaching the end of their lives， some consideration should be given to reasonably dispose PHA wastes to alleviate environmental pressures. This review paper introduced the categories， properties and applications of PHA. The biodegradation of PHA in different environments or processes， functional microorganisms， and enzymes， as well as the mechanism and standards related to biodegradation were also summarized. This paper aimed to provide theoretical references for improving the biodegradability of PHA products and optimizing PHA waste management and disposal strategies.

Key words: polyhydroxyalkanoates, biodegradation, aerobic, anaerobic, biodegradation mechanism

CLC Number:

TQ323.4

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Figures/Tables 6

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降解环境/过程	标准	测试条件	说明
堆肥	ISO 14855（2018）	58±2 ℃	测试周期至少90天（不超过6个月），通过分析产生的CO₂确定测试材料的最终好氧生物降解性
	ASTM D5338（2015）	58±2 ℃	测试周期为45天，通过测定测试材料的碳转化为CO₂的百分比评估生物可降解性
	EN 14045（2012）	在嗜热阶段，温度可达65 °C	测试持续12周，在中试规模（140 L）好氧堆肥试验中评估包装材料的分解情况，测试材料与生物垃圾混合，并在实际堆肥条件下自发堆肥
土壤	ISO 17556（2019）	25±2 ℃，黑暗或弱光，pH=6~8	测试周期为6个月（不超过两年），通过测量密闭呼吸计中的需氧量或CO₂的释放量评估测试材料的生物降解水平
土壤	ASTM D5988（2018）	20~28（±2） ℃	通过测量测试材料暴露在土壤中产生的CO₂随时间的变化来确定好氧生物降解的程度
淡水	ISO 14851（2019）	SS=30~1 000 mg/L，20~25（±1）℃，黑暗或弱光，pH=7，测试材料浓度100~2 000 mg/L（以有机碳的形式）	测试周期不超过2个月，通过呼吸计测定需氧量来评估测试材料在水介质中与活性污泥接触的好氧生物降解活性
淡水	ISO 14852（2021）	SS=30~1 000 mg/L，20~25（±1） ℃，pH=7，测试材料浓度100~2 000 mg/L（以有机碳的形式）	测试周期不超过2个月，通过测定析出的CO₂来评估测试材料在水介质中与活性污泥接触的好氧生物降解活性
海洋	ISO 18830（2016）	15~25（±2） ℃（不超过28 ℃），黑暗或弱光，测试材料应为薄膜或片状，浓度170 mg/L ThOD或60 mg/L TOC	测试周期不超过24个月，通过呼吸计测定需氧量来评估测试材料在海水和海底交界面的海洋沙质沉积物上沉降时的好氧生物降解活性
	ISO 19679（2016）	15~25（±2） ℃（不超过28 ℃），黑暗或弱光，测试材料应为薄膜或片状，浓度170 mg/L ThOD或60 mg/L TOC	测试周期不超过2个月，通过测定产生的CO₂来评估测试材料在海水和海底交界面的海洋沙质沉积物上沉降时的好氧生物降解活性
	ASTM D6691（2017）	30±2 ℃	测试周期为10~90天，通过呼吸计测定含碳≥20 %的测试材料与至少10种已知的好氧海洋微生物或天然海水中存在的本地微生物种群接触后产生的CO₂来评估好氧生物降解程度和速率
厌氧水环境	ISO 14853（2016）	TS=0.1 %~0.3 %，35±2 ℃，pH=6.8~7.2，测试材料浓度20~200 mg/L（以有机碳的形式），总体积0.1~1 L	通过测定沼气产量来评估厌氧生物降解程度
厌氧消化	ISO 15985（2014）	TS>20 %，52±2 ℃，pH=7.5~8.5，测试材料浓度 20 g/反应器，总体积>750 mL	在高固体厌氧消化条件下，通过测量试验结束时产生的沼气和分解程度来评估基于有机化合物的塑料的最终厌氧生物降解性
厌氧消化	ASTM D5210（2007）	TS>0.1 %，35±2 ℃，碳含量充足的样品，总体积100 mL	在实验室条件下，测定合成塑料材料暴露于来自污水处理厂厌氧消化池的市政污泥后的厌氧生物降解程度和速率
填埋	ASTM D5526（2018）	TS=35 %、45 %或60 %，35±2 ℃，pH=7.5~8.5，碳含量充足的样品，总体积>800 g	通过测定测试材料中的碳在类似垃圾填埋条件下转化为气态碳（CH₄和CO₂）的百分比来评估厌氧生物降解性

降解环境/过程	标准	测试条件	说明
堆肥	ISO 14855（2018）	58±2 ℃	测试周期至少90天（不超过6个月），通过分析产生的CO₂确定测试材料的最终好氧生物降解性
	ASTM D5338（2015）	58±2 ℃	测试周期为45天，通过测定测试材料的碳转化为CO₂的百分比评估生物可降解性
	EN 14045（2012）	在嗜热阶段，温度可达65 °C	测试持续12周，在中试规模（140 L）好氧堆肥试验中评估包装材料的分解情况，测试材料与生物垃圾混合，并在实际堆肥条件下自发堆肥
土壤	ISO 17556（2019）	25±2 ℃，黑暗或弱光，pH=6~8	测试周期为6个月（不超过两年），通过测量密闭呼吸计中的需氧量或CO₂的释放量评估测试材料的生物降解水平
土壤	ASTM D5988（2018）	20~28（±2） ℃	通过测量测试材料暴露在土壤中产生的CO₂随时间的变化来确定好氧生物降解的程度
淡水	ISO 14851（2019）	SS=30~1 000 mg/L，20~25（±1）℃，黑暗或弱光，pH=7，测试材料浓度100~2 000 mg/L（以有机碳的形式）	测试周期不超过2个月，通过呼吸计测定需氧量来评估测试材料在水介质中与活性污泥接触的好氧生物降解活性
淡水	ISO 14852（2021）	SS=30~1 000 mg/L，20~25（±1） ℃，pH=7，测试材料浓度100~2 000 mg/L（以有机碳的形式）	测试周期不超过2个月，通过测定析出的CO₂来评估测试材料在水介质中与活性污泥接触的好氧生物降解活性
海洋	ISO 18830（2016）	15~25（±2） ℃（不超过28 ℃），黑暗或弱光，测试材料应为薄膜或片状，浓度170 mg/L ThOD或60 mg/L TOC	测试周期不超过24个月，通过呼吸计测定需氧量来评估测试材料在海水和海底交界面的海洋沙质沉积物上沉降时的好氧生物降解活性
	ISO 19679（2016）	15~25（±2） ℃（不超过28 ℃），黑暗或弱光，测试材料应为薄膜或片状，浓度170 mg/L ThOD或60 mg/L TOC	测试周期不超过2个月，通过测定产生的CO₂来评估测试材料在海水和海底交界面的海洋沙质沉积物上沉降时的好氧生物降解活性
	ASTM D6691（2017）	30±2 ℃	测试周期为10~90天，通过呼吸计测定含碳≥20 %的测试材料与至少10种已知的好氧海洋微生物或天然海水中存在的本地微生物种群接触后产生的CO₂来评估好氧生物降解程度和速率
厌氧水环境	ISO 14853（2016）	TS=0.1 %~0.3 %，35±2 ℃，pH=6.8~7.2，测试材料浓度20~200 mg/L（以有机碳的形式），总体积0.1~1 L	通过测定沼气产量来评估厌氧生物降解程度
厌氧消化	ISO 15985（2014）	TS>20 %，52±2 ℃，pH=7.5~8.5，测试材料浓度 20 g/反应器，总体积>750 mL	在高固体厌氧消化条件下，通过测量试验结束时产生的沼气和分解程度来评估基于有机化合物的塑料的最终厌氧生物降解性
厌氧消化	ASTM D5210（2007）	TS>0.1 %，35±2 ℃，碳含量充足的样品，总体积100 mL	在实验室条件下，测定合成塑料材料暴露于来自污水处理厂厌氧消化池的市政污泥后的厌氧生物降解程度和速率
填埋	ASTM D5526（2018）	TS=35 %、45 %或60 %，35±2 ℃，pH=7.5~8.5，碳含量充足的样品，总体积>800 g	通过测定测试材料中的碳在类似垃圾填埋条件下转化为气态碳（CH₄和CO₂）的百分比来评估厌氧生物降解性

降解环境	菌株	降解条件	降解PHA种类	参考文献
土壤	Actinobacteria， Firmicutes和 Proteobacteria	27~28 ℃，pH=4.3~5.6，黏土或沙质黏土，平均光强度819~12 886 Lux	P（3HB），P（3HB⁃co⁃8 mol% 3HHx），P（3HB⁃co⁃12 mol%⁃3HHx）和P（3HB⁃co⁃21 mol% 3HHx）	［59］
海洋土壤	Bacillus sp. JY14	固体或液体，甚至高温高盐的条件	PHB，P（3HB⁃co⁃4HB）和P（3HB⁃co⁃3HV）	［58］
海洋	Enterobacter， Bacillus和 Gracilibacillus	28.75±1.65 ℃，pH=7.0~7.5，平均盐度32 ‰~35 ‰，DO=5.4~8.3 mg/mL	3⁃HB和3⁃HB/3⁃HV	［48］
好氧海水	Sphingomonadales， Clostridiales， Rhodobacterales， Gemmatales， Bacillales和 Solirubrobacterales	常温	P（3HB⁃co⁃3HHx）	［49］
厌氧消化	PeptococcaceaeBacterium Ri50， Bacteroides plebeius和 Catenibacterium mitsuokai	55 ℃	PHB	［50］
厌氧消化	Enterobacter和Cupriavidus	38 ℃或58 ℃	PHB	［38］

降解环境	菌株	降解条件	降解PHA种类	参考文献
土壤	Actinobacteria， Firmicutes和 Proteobacteria	27~28 ℃，pH=4.3~5.6，黏土或沙质黏土，平均光强度819~12 886 Lux	P（3HB），P（3HB⁃co⁃8 mol% 3HHx），P（3HB⁃co⁃12 mol%⁃3HHx）和P（3HB⁃co⁃21 mol% 3HHx）	［59］
海洋土壤	Bacillus sp. JY14	固体或液体，甚至高温高盐的条件	PHB，P（3HB⁃co⁃4HB）和P（3HB⁃co⁃3HV）	［58］
海洋	Enterobacter， Bacillus和 Gracilibacillus	28.75±1.65 ℃，pH=7.0~7.5，平均盐度32 ‰~35 ‰，DO=5.4~8.3 mg/mL	3⁃HB和3⁃HB/3⁃HV	［48］
好氧海水	Sphingomonadales， Clostridiales， Rhodobacterales， Gemmatales， Bacillales和 Solirubrobacterales	常温	P（3HB⁃co⁃3HHx）	［49］
厌氧消化	PeptococcaceaeBacterium Ri50， Bacteroides plebeius和 Catenibacterium mitsuokai	55 ℃	PHB	［50］
厌氧消化	Enterobacter和Cupriavidus	38 ℃或58 ℃	PHB	［38］

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