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生物合成材料聚β－羥基丁酸（ＰＨＢ）的研究進展
摘要:聚β-羥基丁酸(PHB)是許多原核微生物在碳、氮營養(yǎng)失衡的情況下作為能量和碳源儲藏在生物體內(nèi)的一類熱塑性聚酯。作為完全可生物降解材料,PHB越來越引起人們的關(guān)注。有力文章主要闡述了國內(nèi)外PHB合成方法、性能改良、降解等方面的進展,并對其發(fā)展前景作出展望。
關(guān)鍵詞:PHB;生物降解材料;生物合成;改良;降解
隨著石油化學工業(yè)的發(fā)展,化學合成塑料的使用越來越廣泛,作為合成高分子材料,化學合成塑料在自然環(huán)境下難以分解,造成了嚴重的“白色污染”。過去對廢舊塑料的處理辦法主要是土埋和焚燒,土埋浪費大量的土地,焚燒則會產(chǎn)生大量的二氧化碳及其它對人有害的氮、硫、磷、鹵素等化合物,助長了溫室效應(yīng)及酸雨的形成。面對日益嚴峻的資源和環(huán)境問題,走可持續(xù)發(fā)展道路,就要研究開發(fā)可自然降解的新材料。PHB是微生物合成型降解材料中的典型代表,具有良好的生物降解性,分解產(chǎn)物可全部為生物利用,目前研究較為深入并初步進入商品化階段。
1PHB的性質(zhì)
聚羥基丁酸酯PHB,作為一種天然高分子聚合物,具有生物相容性、生物可降解性、無刺激性、無免疫原性和組織相容性等特殊性能,在組織工程、藥物緩釋控釋系統(tǒng)、骨科以及醫(yī)用手術(shù)縫合線領(lǐng)域獲得成功的應(yīng)用。PHB有良好的生物降解性,其分解產(chǎn)物可全部為生物利用,對環(huán)境無任何污染;其熔融溫度為175～180℃,是一種可完全分解的熱塑性塑料。它的物理性質(zhì)和分子結(jié)構(gòu)與聚丙烯(PP)很類似,如摩爾質(zhì)量、軟化點、結(jié)晶度、拉伸強度等,目前主要應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、包裝、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。
2PHB的生物合成
PHB的生物合成途徑有微生物發(fā)酵法,轉(zhuǎn)基因植物法。
2.1微生物發(fā)酵
微生物發(fā)酵生產(chǎn)是獲得生物可降解塑料的主要途徑,近30年大量的研究工作集中于發(fā)酵工藝的改進和高效菌株的篩選來提高PHA的容積產(chǎn)率和胞內(nèi)含量。最近利用污水處理系統(tǒng)中的活性污泥合成PHB,大大降低了底物成本且無需滅菌操作,大大降低了成本,吸引了廣泛的關(guān)注。
2.1.1細菌發(fā)酵合成PHB工藝改良
到目前為止,已發(fā)現(xiàn)100種以上的細菌能夠生產(chǎn)PHB。通常,在自然環(huán)境中微生物能儲備干燥菌體質(zhì)量5%～20%的PHB。在合適的條件,如碳源過量、限制氮、磷等發(fā)酵條件下,PHB含量可以達到細胞干重的70%～80%自然界中許多屬、種的細菌在細胞內(nèi)都能積累PHB顆粒,如產(chǎn)堿桿菌、甲基營養(yǎng)菌及鞘細菌等。于平、勵建榮等在相關(guān)研究文獻[1]中指出真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌發(fā)酵生產(chǎn)聚β-羥基丁酸(PHB)的最優(yōu)化培養(yǎng)基組成和培養(yǎng)條件為:葡萄糖4.0%,硫酸銨0.3%,pH7.2,裝液量80mL/250mL,接種量10%,PHB的質(zhì)量濃度達到最高值0.825g/L,細胞干重為1.734g/L。鞘細菌對環(huán)境的適應(yīng)能力較強,且有研究表明,其細胞內(nèi)的PHB貯存比例較高。全桂靜和程文輝[2]通過實驗表明:以甘油和蛋白胨為碳源和氮源,適宜條件下100mL發(fā)酵液的PHB產(chǎn)量最高可達10.58mg。
2.1.2篩選高效菌種
國內(nèi)外對于高效菌種的選育主要有構(gòu)建基因工程菌法和紫外線誘變法。1987年,吉利亞James Madison大學的Dennis成功地從A.eutrophus中克隆到合成PHB的基因,并轉(zhuǎn)入E.coil中構(gòu)建成重組E.coil突變株,其細胞比正常細菌細胞大10倍,該菌株可以直接利用各種碳源,如葡萄糖、蔗糖、乳糖、木糖等廉價底物,進一步降低了成本。奧地利維也納大學在組建工程大腸桿菌的同時引入熱敏噬菌體溶解基因,可使細菌易裂解釋放PHB,這一成果的最大特點是可降低提取成本,為推向市場打下基礎(chǔ)。在國內(nèi)也有一些紫外誘變法篩選優(yōu)良菌株的研究,使原始菌株P(guān)HB產(chǎn)量得到很大的提高,如國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目中徐愛玲、張帥等采用紫外線照射和放射性元素鈷60輻射誘變方法,對Acidiphilium cryptum DX1-1進行了誘變改良,誘變后篩選得到的一株菌UV60-3,PHB含量達到28.56g/L,是原菌株的1.45倍,并且可穩(wěn)定遺傳。對菌株UV60-3積累PHB的碳氮比進行了探索,結(jié)果顯示在碳源濃度60g/L,氮源濃度30 g/L,C/N為3.76時PHB含量最高,PHB含量達到30.57g/L。[3]
2.1.3活性污泥合成PHB
利用活性污泥的混合碳源與微生物群合成PHB 是生物合成PHB 的一條新途徑,既處理了污水,又降低了合成費用,而且得到的產(chǎn)物其性能比單一菌株在純碳源培養(yǎng)得到的PHB要優(yōu)越。在污水處理過程中,活性污泥微生物常常將可快速降解的碳源物質(zhì)貯存為PHA,而不是首先將它們用于生物量的增長,因此,可以通過適當?shù)墓に囌{(diào)控將活性污泥馴化為PHA的生產(chǎn)者。日本東京大學的Satoh.H. 研究小組發(fā)現(xiàn)采用“微嗜氣2好氣”供氣過程可以提高PHB在污泥中的產(chǎn)量,[4、5]表明了工藝過程、營養(yǎng)組成及條件控制影響PHAs的產(chǎn)率。中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心曲波、劉俊新在活性污泥合成可生物降解塑料PHB的工藝優(yōu)化研究中結(jié)果中表明——溶解氧(DO)濃度、pH值和底物-生物量比(food-microorganism ratio,F/M)是對PHB生產(chǎn)影響的關(guān)鍵參數(shù)底物的吸收速率、PHB產(chǎn)率和胞內(nèi)含量均隨溶解氧濃度的提高而提高,本研究最優(yōu)操作條件下獲得的PHB 含量已經(jīng)接近純培養(yǎng)方法所獲得的典型的PHB 含量,展現(xiàn)了活性污泥合成PHB 的應(yīng)用前景。[6]
2.2轉(zhuǎn)基因植物法
由于PHB的高成本生產(chǎn)和生物技術(shù)的進步,人們開始將注意力轉(zhuǎn)移到用轉(zhuǎn)基因植物來生產(chǎn)PHB,1992年,Poirier首先探討了用植物生產(chǎn)PHB的可行性,在擬南芥細胞質(zhì)中定向合成PHB但是擬南芥的生長卻受到抑制,把細菌PHB生物合成的途徑定位于質(zhì)體中,PHB占葉子干重的40%,但發(fā)現(xiàn)了植物生長和PHB含量有負關(guān)系。John等對用轉(zhuǎn)基因棉花合成PHB做了嘗試。轉(zhuǎn)基因棉花纖維的長度,強度都正常,但其絕緣性能卻提高了。熱性能改變很小,可能是因為只有很少量的PHB在纖維細胞的細胞質(zhì)中(占纖維重的0.34%)[7]王潮崗、胡章立以萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)作為受體材料,將合成的相關(guān)酶基因phbB和phbC導入衣藻中,實現(xiàn)了PHB在胞質(zhì)中的合成,但含量較少。
3PHB性能的改良
PHB是一種全同立構(gòu)結(jié)晶性的聚酯,結(jié)晶度高達80%,常溫及玻璃化溫度(4℃)下表現(xiàn)為脆性,耐沖擊性能較差;加工成型只能在190℃附近的一個狹窄的溫度區(qū)間內(nèi)進行,且熔融狀態(tài)極不穩(wěn)定,易發(fā)生降解。這些缺點使其無法作為一種實用的塑料使用,同時也限制了在降解材料方面的應(yīng)用。PHB改性主要體現(xiàn)在增韌和增塑改性,PHB增韌主要通過彈力體、聚乙二醇(PEO)、淀粉等與之共混改性,文獻報道的有效增塑劑有低相對分子質(zhì)量PEO、檸檬酸三丁(三乙)酯、三乙酸(丁酸)甘油酯、ESO等從改良途徑講主要有物理共混、化學改性、生物改性。
4PHB的降解
PHB的生物降解歸因于許多細菌和真菌能夠分泌胞外PHB解聚酶PHB在解聚酶的作用下得到3-羥基丁酸,經(jīng)過三羥基丁酸脫氫酶、乙酰乙酰輔酶和β-酮硫解酶作用下依次得到三羥基丁酸、乙酰乙酰輔酶A、乙酰輔酶A最后進入TCA循環(huán)。
國外從60年代陸續(xù)開展了有關(guān)降解PHB的工作,但絕大部分菌株是近些年來獲得的。1963年Chowdhury首次發(fā)現(xiàn)降解PHB的微生物,它們是Bacillus,Seudomonas和Streptomyces,隨后人們陸續(xù)動環(huán)境中分離出其他一些能降解PHB的微生物類型。直接用從自然界中篩選的菌種產(chǎn)生的PHB降解酶的活性比較低,降解PHB的速度比較緩慢。近幾年有許多學者通過紫外線誘變獲得了高產(chǎn)PHB的菌株。次素琴、陳珊等以降解聚2β羥基丁酸酯(PHB)的青霉(Penicillium sp1)DS9713a為出發(fā)菌株,通過紫外線(UV)誘變分生孢子,采用透明圈初篩和搖瓶復篩,獲得酶活高于原始菌株的突變株5株,其中DS9713a-CS01突變株的PHB解聚酶活力高于對照97.42%。[8]中國科學院研究所戴美學等根據(jù)苜蓿根瘤菌(Sinorhizobium meliloti)Rm1021基因組中與Ralstonia eutropha phaZ基因同源部分序列設(shè)計1對引物,從S.meliloti基因組中用PCR擴增出835bp phbD基因片段并克隆到載體PGEM○R-T Easy上;通過在phbD 基因內(nèi)插入ΩSmSp和基因置換構(gòu)建了phbD突變體。該突變體可積累比野生型菌株多1.0～2.6倍的聚羥丁酶。[9]
5展 望
PHB作為最具代表性的一類生物塑料,具有良好的生物相容性和生物降解性。但是由于其生產(chǎn)菌的產(chǎn)量不高,生產(chǎn)菌在生長過程中所消耗的原料價格較高,天然產(chǎn)物的機械性能差,很多降解菌不能降解胞外的PHB等缺點影響了其使用,近年來,有大量的學者對此進行研究并取得了很大的進展。在能源與經(jīng)濟、環(huán)保相協(xié)調(diào)的今天,隨著科技的進步,人們環(huán)保意識的增強,PHB將就有廣闊的前景。
參考文獻
1 于 平、勵建榮.真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌發(fā)酵生產(chǎn)PHB的培養(yǎng)條件優(yōu)化[J].中國食品學報,2007.1:61～63
2 全桂靜、程文輝.鞘細菌液體發(fā)酵生產(chǎn)PHB的研究[J].沈陽化工學院學報,2008.22(4):312～315
3 徐愛玲、張 帥等.積累PHB菌種隱藏嗜酸菌DX1-1的誘變改良[J].微生物學通報,2008.35(10):1516～1521
4 Satoh H, Iwamoto Y, Matsuo T.PHA production by acti2vated sludge[J].International Journal of Biological Macro2molecules, 1999. 25(1～3): 1052109
5 Satoh H, Iwamoto Y, Matsuo T.Activated sludge as a pos2 sible source of biodegradable plastic [J].Wat. Sci. Tech, 1998. 38(2): 1032109
6 曲 波、劉俊新.活性污泥合成可生物降解塑料PHB的工藝優(yōu)化研究[J].科學通報,2008.53.13:1598～1604
7 王述彬、刑偵琦等.用基因植物生產(chǎn)生物可降解塑料的研究進展[J].研究與進展,2005.5:33～35
8 次素琴、陳 珊等.紫外線誘變選育高產(chǎn)PHB解聚酶的菌株[J].微生物學通報,2005.32:38～43
9 戴美學、武 波等.苜蓿根瘤菌聚羥丁酸解聚酶基因JK3LM,N突變體的構(gòu)建及其特性[J].農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學報,2003.11:115～120
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