6株红色非硫磺细菌在通常培养基中PHA呈高生产量,新普金棋牌下载如果在这些废弃塑料中有30%为可降解塑料

来源:未知作者:资讯 日期:2020/03/01 09:06 浏览:

摘要:日前,日本理化学研究所环境资源科学研究中心的沼田圭司领导的研究小组发现,海洋性光合成细菌(简称光合菌)可生产高分子量羟基酸(PHA)。PHA是微生物体内产生的一种生物塑料,是生物为预防营养缺乏而储藏碳和能量的贮藏物质。 日本研究小组发现光合菌可生产高分子量生物塑料(图文无关)   由于PHA具有生物降解性和生物适应性等特征,可以成为以石油为原料的塑料的替代材料。至今为止,光合成细菌生产PHA的报告中几乎都是淡水性光合成细菌,此次研究小组首次利用海水在高盐浓度培养基减少其他细菌混入的情况下进行了实验。    研究小组首先使用海洋性光合成细菌红色硫磺细菌3株和红色非硫磺细菌9株验证PHA生产性能。他们在缺氮的培养基中添加醋酸和碳酸氢钠,培养12株光合成细菌,然后用气相层分析仪,对各个菌株在通常培养基与氮缺乏培养基的PHA生产量进行测定比较。结果显示,3株红的硫磺细菌在氮缺乏培养基中PHA产量增大,并呈颗粒状存在;6株红色非硫磺细菌在通常培养基中PHA呈高生产量,约为干燥菌体重量的20%至30%。在氮缺乏培养基中PHA产量没有发现大的增加。使用人工海水培养基对红色非硫磺细菌1株进行PHA生产验证试验发现,红色非硫磺细菌在人工海水中没有发育,在培养基中添加酵母萃取物后,虽然可见细菌增殖,但未生产PHA。而在人工海水中添加醋酸作为碳源,明显发现红色非硫磺细菌生产出PHA。    有报告称,微生物生产PHA分子量为30万左右。但研究小组对光合成细菌生产的PHA进行抽取、精制后进行了PHA数平均分子量凝胶渗透色谱法测定,发现一部分红色硫磺细菌和红色非硫磺细菌合成的PHA分子量高出之前报告数值的2至3倍。 (来自:科技日报)

PHA是微生物体内产生的一种生物塑料,是生物为预防营养缺乏而储藏碳和能量的贮藏物质。由于PHA具有生物降解性和生物适应性等特征,可以成为以石油为原料的塑料的替代材料。以前光合成细菌生产PHA的报告中几乎都是淡水性光合成细菌。而日本理化学研究所环境资源科学研究中心近日发现,海洋性光合成细菌可生产高分子量羟基酸。

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研究小组首先使用海洋性光合成细菌红色硫磺细菌3株和红色非硫磺细菌9株验证PHA生产性能。

资源与环境是人类在21世纪实现可持续发展所面临的重大问题,生物技术将成为解决这一问题的关键技术之一。在造成环境污染的诸多因素中,塑料废弃物造成的公害已引起了社会的广泛关注。21世纪初,我国的塑料包装材料用量很大,年用量将达到5000万吨,如果其中有30%为一次性发泡塑料,那么全国每年的废弃塑料将有1500万吨以上;全国有5亿亩土地可利用地膜,目前仅有30%的土地利用了地膜,再加上育苗钵和农副产品保鲜膜,这些塑料废弃物每年约有1000万吨;其它方面的废塑料约有1000万吨;这样每年全国废塑料总量将达到3500万吨,其污染所造成的环境压力不言而喻。如果在这些废弃塑料中有30%为可降解塑料,那么我们的环境将会得到大大的改善,据不完全统计,我国仅有100多个生产降解塑料的厂家,生产能力不到10万吨,远远赶不上市场的需求。

他们在缺氮的培养基中添加醋酸和碳酸氢钠,培养12株光合成细菌,然后用气相层分析仪,对各个菌株在通常培养基与氮缺乏培养基的PHA生产量进行测定比较。

目前世界上主要生产降解塑料的国家有美国、日本、德国、意大利、加拿大和以色列等国,品种有光降解、光-生物降解、崩坏性生物降解、完全生物降解等类型。

结果显示,3株红的硫磺细菌在氮缺乏培养基中PHA产量增大,并呈颗粒状存在;6株红色非硫磺细菌在通常培养基中PHA呈高生产量,约为干燥菌体重量的20%至30%。在氮缺乏培养基中PHA产量没有发现大的增加。

生物降解塑料在可降解塑料中最具发展前途。世界上的生物降解塑料主要是采用脂肪族聚酯或脂肪族聚酯混合淀粉制造的,脂肪族聚酯主要包括以石油为原料合成的聚己、聚丁烯及共聚体,还有以可再生资源为原料生产的聚乳酸、由微生物生产的聚羟基酪酸等。生物降解塑料被分解后,成为水和二氧化碳,因此不会对环境产生危害。最近采用聚乳酸制造生物降解塑料的技术特别引人注目,美国卡基尔·道聚合物公司已开始建设生产聚乳酸的工厂,到2001年底,年产14万吨的设备已投产;日本三菱树脂公司正在建设年产3500吨规模可降解薄膜制造设备,到2002年扩大到年产1万吨。

使用人工海水培养基对红色非硫磺细菌1株进行PHA生产验证试验发现,红色非硫磺细菌在人工海水中没有发育,在培养基中添加酵母萃取物后,虽然可见细菌增殖,但未生产PHA。而在人工海水中添加醋酸作为碳源,明显发现红色非硫磺细菌生产出PHA。

为了改善脂肪族聚酯的物性,各国正在用脂肪族聚酯与芳香族的对苯二甲酸或尼龙聚合物共聚的方式生产生物降解塑料,不久,高性能的可降解性塑料将会不断地被开发出来。作为环境保护技术之一,使用酶催化剂代替重金属化学催化剂合成高分子材料的工艺也将会面世,除了脂肪族聚酯外,多酚、聚苯胺、聚碳酸酯、聚天冬氨酸等已相继开发成功。

有报告称,微生物生产PHA分子量为30万左右。但研究小组对光合成细菌生产的PHA进行抽取、精制后进行了PHA数平均分子量凝胶渗透色谱法测定,发现一部分红色硫磺细菌和红色非硫磺细菌合成的PHA分子量高出之前报告数值的2至3倍。

从降解塑料应用领域分析,北美1989年降解塑料总销售量的88万吨中,其中用于包装达76万吨,包括包装袋类56万吨(其中垃圾袋47.5万吨,购物零售袋等8.5万吨),饮料罐提环10.5万吨,其它包装9.5万吨,其它领域用4万吨。当时预测至2000年,包装用量达248万吨,无纺布为30万吨,农业用16万吨,其它26万吨。1989年-1994年,包装用年平均增长率为16.2%,无纺布为21.4%,农业用22.9%,其它领域为20.1%。1994年-2000年年平均增长率在包装方面为7.5%,无纺布方面为12.9%,农业用14.8%,其它领域17.3%。

可降解塑料的分类及发展趋势

可降解塑料一般分为四大类,其研究与开发的主要趋势是生物降解塑料和化学合成及共混塑料。

可降解塑料的分类

降解塑料按引起降解的环境条件可分为光降解塑料、生物降解塑料、化学降解塑料与组合降解塑料等类型。

光降解塑料指靠吸收太阳光,引起光化学反应而分解的塑料。光降解塑料是指一类在日光照射或暴露于其它强光源下时,发生劣化分裂反应,从而失去机械强度并进而分解的塑料材料。只要在高分子材料中加入可促进光降解的结构或基团就可成为光降解塑料,光降解塑料制备方法有两种:共聚法和添加剂法。

共聚法是将适当的光敏感基团如羰基、双链等引入高分子结构的共聚单体中制成的塑料中,如Dupont公司Brubaker等研制的乙烯一氧化碳共聚物,加拿大Gullet研制的乙烯基酮基-乙烯聚合物,通过调节一氧化碳和碳基浓度来控制聚合物的光解速度,实质上这是乙烯共聚改性,需要复杂的设备和较苛刻的技术条件,国内短期实现这种工艺较为困难。

添加剂法在高分子材料中添加光敏剂,如二苯甲酮等化合物,在有光条件下吸收紫外线后夺去聚合物中的氢而产生游离氢,促使高分子材料发生氧化反应达到劣化目的。

光降解塑料就是在其聚合物中引入弱键或发色团,或者在普通塑料中添加光敏剂而得,因此在光照射下发生光化学反应,使塑料变脆破裂,继而成为越来越小的碎片。

光敏剂在聚合物中发生光化学反应,产生自由基,实现可控光降解。英国Ston大学G.Scott教授等开发的烷基硫代氨基甲酸盐类光敏剂已实现工业化,硬脂酸盐和二茂铁衍生物类也有应用。国内目前也较多,研究开发相对比较深入。

光降解塑料的缺点是需要光照射。当埋入土中或被植株遮蔽时,即不能降解或降解速度太慢,即使降解后的碎裂片也不能继续粉化,污染问题不能彻底解决。

生物降解膜母粒最突出的特点是光和生物双重降解性。只是光降解的塑料,要受到光照强度和光照时间的影响,降解成碎片后,不易被土壤中微生物分解,生物降解塑料虽然理论上能被微生物完全分解成水和二氧化碳,但实际上降解速度和降解程度要受到土壤中微生物种类、含量、温度、混度、土壤酸碱度和肥力制约,往往彻底降解难。为了克服两种降解材料的不足,通过加入光降解剂和化学助降剂使之既能光降解,又具生物协同降解的可控双降解。

生物降解塑料生物降解塑料指在土壤中能被微生物分解的塑料,借助于细菌或其水解酵素能将材料分解为二氧化碳、水、蜂巢状多孔材质和盐类,它们进一步经微生物作用后可彻底分解,重新进入生物圈,是当前各国研究与开发的热点。因此,生物降解塑料一般指具有一定的机械强度、并能在自然环境中全部或部分被分解而不造成环境污染的新型塑料。生物降解的机理主要由细菌或其水解酶将高分子量的聚合物分解成小分子量的碎片,然后进一步被细菌分解为二氧化碳和水等物质。生物降解塑料主要有四种类型:

其一,微生物发酵型。利用微生物产生的酶,将自然界中生物易于分解的聚合物解聚水解,再分解吸收合成高分子化合物,这些化合物含有微生物聚酯和微生物多糖等,但这类微生物发酵合成的聚合物,因成本太高而限制了它的进一步应用。

一般来讲,用微生物发酵法制取的聚合物又称为生物发酵性塑料,具有代表性的产品有羟基丁酸酯和戊酸酯的共聚物。英国ICI公司已有批量产品问世,商品名为biopol,有极好的生物降解性,但生产工艺复杂、成本过高,在我国近期难于形成规模生产。

微生物合成的聚合物一般称为生物聚合物,具有完全生物降解的特征。生物体内合成的大分子物质,均可称为生物聚合物,如蛋白质、核酸、淀粉等。生物聚合物是指由微生物合成的聚酯,它是不同于蛋白质、核酸、淀粉的一类新的天然高分子物质,微生物合成的聚酯,因既具有生物可降解性,又具有通用高分子材料的可加工性而受到人们关注。

由微生物合成的聚酯,统称为聚羟基链烷酸酯,许多细菌都能在体内合成和积累PHA,在细菌细胞缺乏营养物质时,将水解PHA以摄取养料。现已发现百余种细菌具有合成和积累PHA的功能,并已从20多种细菌中克隆出了PHA合成酶的基因,最近又发现合成与积累PHA的细菌可分为两组,一组以Alcaligeneseutrophus为代表,主要合成C3-C5单体单元的短链PHA;另一组以Pseudomonasoleovorans为代表,可合成具有C6-C14的中等链长的PHA单元。PHA实际上包括一系列的聚酯:甲基侧链羟基丁酸酯Poly(-hydroxybutyrate),简称PHB;乙基侧链聚羟基戊酸酯Poly(-hydroxyvalerate),简称PHV;羟基丁酸一戊酸共聚酯Poly(-hydroxybutyate-co--hydroxyvalerate),简称PHBV。PHA的生物合成,见图1。

C3-C5这种短链单体结构特征有利于PHA在环境中的降解,已证明PHA能被环境中广泛存在的某些细菌所降解,这些细菌可分泌出PHA的解聚酶或水解酶。

PHA的生物合成是在限氧而碳充足的条件下进行的,许多好氧或厌氧菌都可合成和积累亚微米大小、由PHA组成的包含体,其中最主要的成分是PHB,成球形,直径约为0.5m。合成的PHB分子量的大小取决于细菌的种类,也与分离方法有关,如用溶剂萃取,或直接分离出天然的PHB颗粒,则可获得高分子量的PHB,分子量可从10万至上百万,甚至更高。研究还表明,在一个PHB颗粒中,往往包含着几千个PHB分子,并发现在可合成PHB细菌的一个细胞内,至少有18000个PHB聚合酶分子,而且在PHB的积累过程中始终保持着这一数量。由PHB的生物合成过程可知,该过程涉及到3种酶:酮硫解酶、乙酰辅酶A、PHB合成酶,这3种酶是使合成PHB得以实现的生物催化剂,就是说,在合成PHB细菌的染色体DNA上存在着对应于这3种酶的基因。

美国M.M.Satowski等人用各种方法,在研究PHA的形态与酶降解的关系时指出,PHA的降解与其晶体结构有关,而PHA的晶体结构又受到共混与热处理的影响,因而应定量确定PHA的晶体结构,以控制降解速率。

生物合成方法已被用于几种生物降解聚酯的合成中,这些聚酯实际上是聚-羟基烷酸酯,它是在大的发酵反应器中,由许多细菌在一定非平衡生长条件下积累,当生长达到平衡时获得的一种细胞间质。在这些聚酯细菌的细胞内,除发现已知的简单聚酯外,还发现了包含其它羟基酸单元的共聚酯,如三羟基戊酸盐、四羟基丁酸盐、五羟基戊酸盐。这些聚酯作为可降解热塑性材料,备受商家青睐,它们与其它聚合物的共混体系也已经存在了。

其二,合成高分子型。合成高分子型降解塑料实际上就是化学合成生物降解塑料,这主要包括脂肪族聚酯类、聚酰胺类、多糖共聚物、聚乳酸等,现已开发出许多可生物降解的合成高分子材料,有聚乳酸、聚乙烯醇、聚己内酯等聚合物。PLA由乳酸单体聚合而成,乳酸由特殊菌种将淀粉转化生成,PLA价格昂贵,现主要应用在医药上。PLA的结构式如下:

SIZE: 12px" align=centerPLA

脂肪族聚酯具有较好的生物降解性,与其它广泛使用的塑料树脂具有良好的相容性,但耐热性和物理强度差。而芳香族聚酯,如对苯二甲酸乙二醇酯的熔点高,机械强度大,但降解性很差,以无水碳酸锌为催化剂在氮气流下混溶可合成共聚物,通过高分子链间的酯交换所制取的这类共聚物,既具有良好的生物降解性,又具有较强的耐热性和机械强度。PCL的结构式如下:

SIZE: 12px" align=centerPCL

PVA具有良好的水溶性,因而广泛地用于纤维表面处理剂等工业产品上。