为实现HTPB基胶粘剂体系的生物降解，以其为唯一碳源，从活性污泥和污染的土壤中分离筛 选出各一降解菌株。研究结果表明：两菌株分别属于气微菌属和节杆菌属，其最佳培养条件为：可溶性淀粉为碳源、牛肉膏为氮源、培养基初始pH为7，Ca2+ 、Na+ 、Mg2+ 等金属离子有利于菌株生长。该菌株能够通过分 泌水解、蛋白酶、尿素酶和酯酶破坏聚氨酯中的羰基、脲键和醚键，45d材料的失重率大于12%；生物降解后，材料的热失重主要来源于HTPB基软段的热解。

2.1 菌株分离与酶学性质鉴定 

采用板划线法从太原市北郊污水处理厂和汾河岸林间土壤中分离纯化耐受菌各一株，分别将其 命名为 5 号细菌和 6 号细菌，其 SEM 照片如图 1 所示。

由图1可知：5号细菌（a）细胞形态为杆状，无荚 膜 ，无 鞭 毛 ，无 球 杆 变 化 周 期 ，大 小 为（0.35~ 0.51）μm×（1.3~1.8）μm，经初步鉴定该菌属于气微 菌属；6号细菌（b）细胞形态为杆状，无荚膜，无鞭毛，有明显球杆变化周期，大小为（0.8~1.0）μm×（1.5~ 2.5）μm，经初步鉴定该菌属于节杆菌属。生理生化试验结果如表2所示。

2.2 细菌的生长条件

2.2.1 正交试验 

通过对不同碳源、氮源和培养基的初始 pH 设 计正交试验，确定细菌的最佳培养条件，结果如表3 所示。

由表3可知：各因素对菌株生长繁殖相差不大， 这与微生物生长所必需的营养元素和环境条件相符。碳源用于构成微生物含碳物质和供给能量， 可溶性淀粉作为碳源 K 值最高，其次为蔗糖和葡萄糖。生理生化试验表明：该菌株能够分泌淀粉水解酶，将淀粉转化为葡萄糖，并利用其进行繁殖，这为 高聚物降解提供了可能。氮是微生物中蛋白质重 要组成元素，另外，以牛肉膏为氮源时，K值最大，是硫酸铵的十几倍。一方面有机氮源在提供氮素的同时，还能提供微生物生长繁殖过程中所需的部分 核苷酸、维生素和矿物质 ；另一方面，NH4 + 的水解 作用会使得培养基酸化 ，pH 下降，而有机氮源中 可能含有缓冲物质，降低微生物培养过程中培养基 pH 的变化幅度。当培养基的初始 pH 为 7时 K 值最 大，酸碱均不利于其生长繁殖。培养基 pH 变化可 能导致微生物表面电荷或化合物离子化程度变化，进而影响其对营养物质的摄入；微生物生长繁 殖过程与酶的活性密切相关，大部分水解酶作用条 件温和，酸碱均对酶活性具有抑制作用 。因此菌 株的最佳培养条件为可溶性淀粉、牛肉膏、培养基的初始pH为7。

2.2.2 金属离子对菌株生长的影响

金属离子是微生物生长繁殖的必须营养元素， 有些金属元素是微生物分泌酶的活性中间体，或在酶分子与底物之间起到一定的桥梁作用，促进酶与 底物的进一步结合 。金属离子对菌株生长的影响 结果如图2所示。

由图 2 可知：Na+ 、Ca2+ 和 Mg2+ 促进菌株的生长， 而Co2+ 对菌株的生长有一定的毒害作用。在后续培养基中加入适量的 Na+ 、Ca2+ 和 Mg2+ ，以促进微生物的生长繁殖。

2.3 HTPB基胶粘剂体系生物降解效果

2.3.1 SEM观察和失重率

降解过程中该菌能附着在材料表面生长，但降 解后材料的形状基本保留。通过SEM在500倍条件 下，观察培养50 d后降解效果，如图3所示。

由图3可知：试验进行至45 d左右，聚氨酯与菌 株已经生长在一起，无法很好地分离。为保证该试 验数据的准确性，材料失重率仅测定至45 d，试验结果如图4所示。

由图 4 可知：降解后聚氨酯表面形成了大小深 度不等的坑洞（微观形貌如图 3），材料的失重率不 断增大，45 d材料的失重率大于 12%；且 6号细菌降 解后材料的孔径和失重率较 5 号大，可能是 6 号细 菌能产生尿素酶促进脲键的降解。生物降解的实质是微生物附着于材料表面，分泌水解酶将其周围 的聚氨酯水解所致。聚烯型聚氨酯材料亲水性差， 细菌通过自身产生了一种水溶性、可溶解酯键的酯 酶，将细菌的细胞膜和亲水性较差的聚氨酯材料建立连接，使其黏附于聚氨酯材料表面 ；后期细菌依 靠自身分泌的水解酶、尿素酶、蛋白酶等攻击聚氨 酯的相应键位，使其发生水解并断裂，同时水解酰 胺键，破坏聚氨酯材料的高聚物链，最终生成低分 子量化合物 。

2.3.2 FT-IR分析

用红外光谱仪在4 000~6 00 cm-1 的波长范围内进行FT-IR分析，试验结果如图5所示。

由图 5 可知：降解前后氨基甲酸酯基团中羰 基（C=O，1 736 cm-1 ）拉伸振动信号明显降低，这是 由多元醇组分中酯键被酯酶降解以及聚氨酯基团的破坏引起的。氨基甲酸酯键基团的 C—N—H 键 信号（3 341 cm-1 ）的衰减证实了尿素酶对聚氨酯基 团中脲键的破坏作用[16] 。醚类化合物的红外吸收光谱，唯一可以鉴别的特征是在1 060~1 300 cm-1 范围 内有强度大而且宽的C—O伸缩振动的谱带，降解 前后醚键（1 172 cm-1 ）信号出现减弱的现象。但是 材料中的碳碳双键（965.61、724.09 cm-1 ）未得到明显的降解，下阶段将重点筛选双键降解菌，通过构 筑复合菌群，最终实现材料的完全生物降解。由此可知细菌能够通过分泌胞外酶破坏胶粘剂体系中 的化学键，切断高聚物的链，最终实现生物降解的目的。

2.3.3 热重分析

用热重分析仪在空气气氛下，以20 ℃/min的加 热速率，在20~700 ℃范围内对降解前后的胶粘剂体 系进行热重分析试验。用约 3 mg 样品获得了样品的失重曲线，试验结果如图6所示。

由图 6 可知：生物降解前后材料的热分解都在 多个不同的温度范围内分阶段完成。第一阶段的热分解分别发生在 220~430 ℃和 240~440 ℃的温度 范围内，微生物降解后的材料初始分解温度升高， 失重率减低，说明生物降解过程中键能小的氨酯键 发生了断裂；第二阶段失重分别发生 430~450 ℃和 440~500 ℃范围内，该阶段材料最大失重率为 70%， 重量损失主要来源于热稳定性比脲基段较高的酯 键和脂肪酸的分解。材料完全热解发生在 450~ 580 ℃和 500~640 ℃范围内。胶粘剂体系生物降解 后热稳定性增强，其他研究也报告了石油基多元醇 聚氨酯泡沫塑料生物降解后，向高温热分解转变的情况，说明生物降解过程中材料结构发生了变化。聚烯型聚氨酯生物降解后热稳定性增加可能是由 于生物降解过程中氨酯键含量的减少造成的，即材料的热失重主要来源于HTPB基软段的热解。