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生物合成材料聚β－羥基丁酸（ＰＨＢ）的研究進(jìn)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(chǔ)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(jìn)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(xué)工業(yè)的發(fā)展,化學(xué)合成塑料的使用越來越廣泛,作為合成高分子材料,化學(xué)合成塑料在自然環(huán)境下難以分解,造成了嚴(yán)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(fèi)大量的土地,焚燒則會(huì)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(yán)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(jìn)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(diǎn)、結(jié)晶度、拉伸強(qiáng)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(jìn)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(xì)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(xì)菌能夠生產(chǎn)PHB。通常,在自然環(huán)境中微生物能儲(chǔ)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(dá)到細(xì)胞干重的70%～80%自然界中許多屬、種的細(xì)菌在細(xì)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(xì)菌等。于平、勵(lì)建榮等在相關(guān)研究文獻(xiàn)[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(dá)到最高值0.825g/L,細(xì)胞干重為1.734g/L。鞘細(xì)菌對環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng),且有研究表明,其細(xì)胞內(nèi)的PHB貯存比例較高。全桂靜和程文輝[2]通過實(shí)驗(yàn)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(dá)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(xué)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(xì)胞比正常細(xì)菌細(xì)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(jià)底物,進(jìn)一步降低了成本。奧地利維也納大學(xué)在組建工程大腸桿菌的同時(shí)引入熱敏噬菌體溶解基因,可使細(xì)菌易裂解釋放PHB,這一成果的最大特點(diǎn)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(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)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(jìn)行了誘變改良,誘變后篩選得到的一株菌UV60-3,PHB含量達(dá)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(jìn)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(shí)PHB含量最高,PHB含量達(dá)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(fèi)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(dāng)?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(xué)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(xué)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(jìn)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(xì)胞質(zhì)中定向合成PHB但是擬南芥的生長卻受到抑制,把細(xì)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(fù)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(qiáng)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?yàn)橹挥泻苌倭康腜HB在纖維細(xì)胞的細(xì)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(dǎo)入衣藻中,實(shí)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(dá)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(gè)狹窄的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行,且熔融狀態(tài)極不穩(wěn)定,易發(fā)生降解。這些缺點(diǎn)使其無法作為一種實(shí)用的塑料使用,同時(shí)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(xiàn)報(bào)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(xué)改性、生物改性。
4PHB的降解
PHB的生物降解歸因于許多細(xì)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(jìn)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(dòng)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(xué)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(fù)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(xué)院研究所戴美學(xué)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(jì)1對引物,從S.meliloti基因組中用PCR擴(kuò)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(jià)格較高,天然產(chǎn)物的機(jī)械性能差,很多降解菌不能降解胞外的PHB等缺點(diǎn)影響了其使用,近年來,有大量的學(xué)者對此進(jìn)行研究并取得了很大的進(jìn)展。在能源與經(jīng)濟(jì)、環(huán)保相協(xié)調(diào)的今天,隨著科技的進(jìn)步,人們環(huán)保意識的增強(qiáng),PHB將就有廣闊的前景。
參考文獻(xiàn)
1 于 平、勵(lì)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(xué)報(bào),2007.1:61～63
2 全桂靜、程文輝.鞘細(xì)菌液體發(fā)酵生產(chǎn)PHB的研究[J].沈陽化工學(xué)院學(xué)報(bào),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(xué)通報(bào),2008.35(10):1516～1521
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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(xué)通報(bào),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(jìn)展[J].研究與進(jìn)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(xué)通報(bào),2005.32:38～43
9 戴美學(xué)、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(xué)報(bào),2003.11:115～120
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