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聚丁二酸丁二醇酯(PBS)生物降解的研究进展

2016-02-13胡雪岩毛海龙苏婷婷王战勇

微生物学杂志 2016年4期
关键词:丁二酸丁二醇薄膜

胡雪岩,毛海龙,苏婷婷,王战勇

(辽宁石油化工大学化学化工与环境学部,辽宁抚顺113001)

聚丁二酸丁二醇酯(PBS)生物降解的研究进展

胡雪岩,毛海龙,苏婷婷,王战勇*

(辽宁石油化工大学化学化工与环境学部,辽宁抚顺113001)

聚丁二酸丁二醇酯(poly(butylene succinate),PBS)是一种人工合成的脂肪族聚酯化合物。PBS的生产成本低、热稳定性好,具有良好加工性能、机械性能以及力学性能等优点。本文就近年来PBS在生物降解方面的研究进展进行了综述,具体包括PBS的生物堆肥降解、PBS的微生物降解以及PBS降解酶的相关研究。最后对PBS生物降解研究进展做出了总结。

聚丁二酸丁二醇酯;生物降解;降解酶

聚丁二酸丁二醇酯(poly(butylene succinate),PBS)是以1,4-丁二酸和1,4-丁二醇为原料聚合而成的脂肪族聚酯,分子式结构为HO-(CO-(CH2)2-CO-O-(CH2)4-O)n-H。PBS呈白色或乳白色,无嗅无味,在环境中可被微生物降解利用,是一种新型生物降解高分子材料。PBS可以利用石油原料合成,亦可通过微生物发酵生产获得[1]。PBS具有良好的材料力学性能,可以满足通用塑料的使用要求。目前PBS已被应用于塑料外壳包装、玩具填充物、食品包装、一次性餐具、一次性医疗用品、生物医用高分子材料等领域[2-5],也可用作体内植入材料、农田覆膜、大棚用膜和缓释肥料等[6]。PBS优良的物化性质和热稳定性能使其在正常储存和使用过程中非常稳定,并且PBS的生物降解性良好,可以在堆肥等接触微生物的条件下完全降解[7]。目前,有关PBS的研究主要集中于PBS的合成及改性方面,但是PBS在改性或制成产品后,在自然界中往往降解缓慢且存在特殊性,因此在进行PBS及其改性共聚物生产和开发的同时,PBS生物降解的重要性开始受到了关注,相关研究领域也取得了一些进展。

1 PBS生物降解研究现状

1.1 PBS的生物堆肥降解研究

堆肥降解技术是一种有效的有机废物资源化手段,也是有机固体废物处理的有效方法。近年来国内外科研人员开展了大量堆肥法处理PBS等生物降解塑料的研究,这些材料均表现出良好的可堆肥性能[8]。许国光等[9]采用堆肥降解PBS薄膜的研究发现,PBS在堆肥初期会生成水溶性酸性产物,进而使得介质酸化并对微生物的生长具有抑制作用。但随着微生物生长速率的增加可解决这一问题,这与微生物对水溶性产物的不断同化吸收,pH值逐渐回升有关。寇莹[10]进行了PBS薄膜在垃圾土、污泥土、花园土、堆肥土中进行土埋法降解试验,通过失重率和表面形态观察发现,降解率从大到小的顺序是堆肥土>污泥土>垃圾土>花园土,从PBS薄膜表面形貌变化观察还发现,土壤中微生物是通过侵蚀薄膜侧边来进行降解的。寇莹[11]在土壤悬浮液中对不同端基结构PBS的降解进行了研究,发现PBS的端基结构会对PBS的降解性能产生影响,羧基端PBS结构亲水性大,极性强,降解容易发生。Way等[12]通过不同的设计样式与通气方式的堆肥反应瓶对高分子材料生物降解性研究发现,采用良好的通气方式和较好结构设计的堆肥反应瓶能使高分子材料的生物降解率由72%提高到81%。Kim等[13]利用生物堆肥法对PBS进行降解研究,发现在自然环境中经80 d后的堆肥降解率仅为12%左右。在实验堆肥中加入稻壳粉可使PBS的降解率有所提高,80 d后降解率提升至17%,研究还发现随着稻壳粉量的增加,PBS降解率随之升高,堆肥土壤中的微生物量也随之增加。在堆肥条件下检测PBS的生物降解性能,PBS比表面积不同PBS的降解速率也不同。谢宝君等[14]根据国际堆肥化标准ISO14855比较粉末、薄膜和颗粒三种形态PBS的堆肥降解能力,发现降解速率的顺序是粉末>薄膜>颗粒。赵剑豪等研究堆肥条件下PBS的降解情况,将180 g干燥堆肥和30 g干燥PBS试样在堆肥容器中进行实验,结果表明:粉末经过40 d其降解率可达75%,而薄膜要经过90 d降解率才能达到60.7%,颗粒的降解则更为缓慢。并且发现堆肥中降解PBS最有效的微生物是Aspergillus uersicolor[15]。从堆肥土壤中筛选到的能够降解PBS的菌株涵盖细菌、真菌和放线菌等主要微生物种类,其中降解性能最好的是真菌[16]。

1.2 PBS的微生物降解研究

由于PBS及其共聚物广泛的应用,使得PBS的微生物降解也逐渐被人们所关注。目前国内外对PBS降解菌的研究已经取得一些成果。梅雪丽等[17]从蔬菜地微环境空气中筛选分离得到真菌菌株Bionectria ochroleuca BFM-X1,该菌株在温度25~30℃、pH 4.0的条件下对PBS薄膜降解16 d后可使PBS的降解率达到97.9%。此外,该课题组还对PBS降解菌Fusarium oxysporum DSCF-8进行诱变,得到F oxysporum DSCF-8的突变株对PBS薄膜进行降解,此降解率较出发菌株提高了34.49%[18]。孙琪等[19]采用双层培养基分离得到的PBS降解菌株Alternaria sp.,在25℃、pH 4.0,1.0%(质量分数)条件下对PBS薄膜降解18 d,发现该菌对PBS薄膜的降解率可达87.95%。余莎莎等[20]从活性污泥中获得PBS降解菌Rhodcoccus sp.HX01,在30℃、pH 8.0条件下培养14 d,发现PBS颗粒表面色泽相比降解前有明显变化,而PBS颗粒的降解率达到13.75%。李凡等利用从活性污泥中分离出的PBS降解菌株A.versicolor DS0503-a,根据实验结果对比选育出具有PBS降解能力的菌株DS0601和DS0401,并进行混菌用于降解PBS。研究结果表明,在不同菌株共同作用下,PBS的降解速率比单菌株作用下速率高,说明混菌条件有利于PBS的降解[21],通过筛选堆肥后土壤中的菌株并比较其生长量发现,A.versicolor菌株是堆肥条件下降解PBS最有效的菌株。Ishii等[22]以PBS乳化液作为唯一碳源筛选出的PBS降解菌株被证实是A.fumigatus NKCM 1706。在土壤环境30℃条件下堆肥30 d,可使PBS薄膜降解率达到80%。Abe等[23]从农田土壤中分离出F.solani菌株,定量PCR分析表明,菌株YB-6在未消毒的土壤环境中生长被抑制,在土壤环境中降解PBS,14 d后的降解率仅为2.8%,而本身不能够降解PBS的Stenotrophomonas maltophilia YB-6与该菌株可协同促进PBS的降解。董骞等[24]通过紫外线诱变Alternaria sp.HJ03菌株获得1株降解能力强的HJ10突变株,降解最适温度25~30℃、最适pH 5.0,突变菌株HJ10对PBS薄膜的降解率比出发菌株HJ03提高了14.4%,且HJ10突变株连续继代培养7代,其降解能力仍可以稳定遗传。张敏等[25]从西安花园土和昆明农田腐殖土中提取了浸提液作为降解介质,并比较了两种土壤中不同微生物对PBS的降解行为。结果表明:发现PBS在第5天开始降解,且在第10~30天降解速度最快。在昆明腐殖土中PBS膜降解两个月后的质量损失达到42%,其降解效果大约是西安花园土的9倍。研究发现在花园土壤中,真菌对PBS起着主要的降解作用,而腐殖土中,放线菌对PBS起着主要的降解作用。其后对花园土中的细菌和真菌进行了分离,初步鉴定为Bacillus属、Pseudomonas属和Mucor属。对昆明土壤中细菌和放线菌进行了分离,初步鉴定为Pseudomonas属和Streptomyces属。之后采用滤纸片法从西安郊区土壤中分离出可有效降解PBS的菌株P.aeruginosa,经该菌株降解30 d的PBS的数均分子量由8.34 w下降到6.69 w,数均分子量下降了19.80%[26]。白俊岩等[27]从石油污染过的土壤中筛选到1株具有PBS降解能力的菌株P.aeruginosa PBS1302,该菌株在培养温度37℃,培养基起始pH 6.8的条件下经6 d的培养,对PBS薄膜的降解率可达36.9%。电镜观察显示,与降解前相比,PBS薄膜表面变得粗糙,出现了明显的蚀刻痕迹。

表1 已见报道的一些PBS降解微生物Table 1Some reported PBS-degrading microorganisms

1.3 PBS解聚酶的研究

通过对PBS解聚酶的深入研究,可以进一步了解PBS生物降解机理,更进一步的促进PBS生物降解技术及循环再利用技术的发展。Kitamoto等[28]从稻叶上筛选出能够降解PBS的菌株P.antarctica,并从该菌株中分离得到了一种分子量为22 kDa的酯酶,在以4-硝基苯丁酸酯(p-NPB)为底物时测得该酶的酶活力为(715.33±124.44) U/mg。Maeda等以PCL、PBS的乳化液作为唯一碳源,培养菌株A.oryzae,由此获得一种分子量为21.6 kDa的PBS解聚酶。但是酶的N-末端氨基酸序列不能确定。研究还发现PBS与该解聚酶的亲和性是由底物中羧酸上的碳链长度大小决定,解聚酶在羧酸和羟基位点上起到催化作用[29]。Araujo等通过对来自菌株Fusarium sp.的角质酶进行修饰,通过定点诱变,在活性位点加入一个四面体中间物使蛋白自由能降低,活性区间增大,最终获得修饰后的角质酶L182A,L182A的突变不影响其吸附水平,对PBS的降解活性是修饰前的两倍。这种酶可以修改这些纤维物质的能力是由于聚酰胺结构与角质和角质酶的相似性使得其能被多元化底物识别[30]。Akutsu-Shigeno等[31]从Paenibacillus amylolyticus TB-13菌株中克隆并在E.coli表达获得PlaA解聚酶,亦能够降解PBS等聚合物,经检测发现表达的PlaA解聚酶是一种酯酶,该解聚酶基因可编码210个氨基酸,该酶同Bacillus stearothermophilus分泌的酯酶有着45%~50%的相似度。Shinozaki等[32]在甘油液体培养基中培养Pseudozyma antarctica,温度30℃,时间2 d,并在其中分离纯化出一个由198个氨基酸组成的近角质酶PaE,与角质酶有61%~68%的相似性,PaE对乳化PBSA的比活度为(54.8±6.3)U/mg。能够有效降解PBS等聚合物[32]。Uchida等将Acidovorax delafieldii BS-3A菌株的PBS降解酶基因上的pbsA进行克隆,并在Escherichia coli中有效的表达。将重组体导入E.coli JM 109,对于重组后的E.coli筛选出能显示出PBS降解酶的活性菌株。但该降解酶并不具有在其他塑料降解酶中普遍存在的富含疏水氨基酸残基的区域,该降解酶属于酯酶。根据氨基酸同源性比较发现该PBS降解酶与一些来源于Mollaxella sp.和Streptomyces sp.的酯酶具有一定的相似性,但在酯酶特有活性部位的是Ser残基(Gly-X1-Ser-X2-Gly),并且PbsA的X1位置是Trp,并不是其他细菌酯酶常见的His残基[33]。Masaki等发现Cryptococcus sp.S-2菌株可分泌出一种分子量为20.9 kDa的近角质酶,该酶的基因序列包含720个核苷酸,研究还发现该蛋白的氨基酸序列与角质酶有12%~20%的相似度。酶降解反应以50 r/min在30℃条件下连续摇动10 d,能够降解PBS[34]。Shah等从Roseateles depolymerans TB-87菌株中分离纯化出两种酶Est-H和Est-L。在PBS乳液琼脂平板上相比于Est-L和Est-H的活性更高。两种酶也可以降解薄膜形式的聚酯,但是芳香族共聚酯薄膜的降解速度比脂肪族聚酯要慢。利用液相色谱和质谱对两种酶的降解产物进行分析,发现菌株TB-87和它的酶表现出降解脂肪族共聚酯的能力。说明这两种酶能够很好地降解PBS[35]。李成涛等[36]从菌株P.aeruginosa ZM-P1中分离出一种属于脂肪酶的PBS降解酶,并对其催化性能及生化性质进行研究。经过SDS-PAGE电泳鉴定为脂肪酶。经研究发现60℃和9.0分别为该脂肪酶的最适温度和最适pH,并且适量加入Mg2+可促进其酶活力的提高,但Ca2+和EDTA对其有明显抑制作用。最后对降解前后的PBS进行观察,发现PBS结晶度、热稳定性、重均分子量以及数均分子量均下降,说明该菌株对PBS有较为明显的降解效果。

表2 一些已见报道的PBS解聚酶Table 2Some reported PBS depolymerase

2 PBS共聚物生物降解研究

随着各行业的发展,塑料需求量日益增多,PBS的应用也更为广泛。随着对PBS研究的不断深入,其缺点也随之出现。如:结晶度较高、力学加工性能不能满足某些需求等,阻碍了PBS进一步应用。为解决这些问题,出现了一些PBS的改性材料。利用物理或化学改性尤为常见,是将PBS同其他材料进行共混或共聚合成新的高分子材料即为PBS的改性材料,比如:PBSLA(Poly (butylene succinate-co-lactic acid))是PBS与低聚乳酸共混;PBSA是丁二酸-丁二醇与己二酸-丁二醇共聚;此外还有PBS/PEA共混复合物、PBS/淀粉共混复合物等。赵剑豪等[37]研究发现在堆肥条件下杂色曲霉菌A.versicolor是降解PBSA和PBS能力最强的微生物,PBSA薄膜的生物降解性能比PBS更强,且降解速率更快。Hayase等从PBSA降解产物的核磁共振(NMR)分析发现,己二酸单元快于1,4-丁二醇和琥珀酸单元的降解。这应该是PBSA比PBS降解更快的原因之一。研究还发现PBSA的降解能力随着PBSA中丁二酸-己二醇酯与丁二酸丁二醇酯配比的不同有很大变化。当丁二酸含量为75%,具有同PBS相似的降解性能,PBSA有着较低的结晶度和熔融温度。但是随着丁二酸丁二醇酯含量的升高,降解的效果随之变差[38]。Phua等用马来酐接枝作为相容剂将PBS与蒙脱土(organomontmorillonite,OMMT)进行共混来改善PBS的性能,在受控条件下的天然有机腐殖质堆肥土壤中土埋180 d。通过凝胶渗透色谱法(GPC)、傅立叶变化的化学结构变换红外光谱(FTIR)扫描电子显微镜(SEM)检测并观察该纳米复合材料的生物降解性。发现在土壤环境中,纯的PBS比PBS/OMMT共混材料的降解率要高,但是PBS的拉伸性能、力学性能等机械性能均不如PBS/OMMT。在PBS/OMMT材料中加入MA(马来酸酐)后,机械性能要优于PBS,而且PBS/OMMT/MA材料的降解性能接近PBS[39]。在Ti系催化剂的条件下将PBS和聚丁二酸二硫乙烯醇酯(poly(thiodiethylene succinate),PTDGS)共混制成PBS/PTDGS复合材料,通过对样品进行热分析(DSC)测量以及NMR,结果表明该复合材料的熔点、结晶度均低于PBS,但PBS/PTDGS的降解速率要高于PBS,这是由于含有TDGS的区域且水解酶主要作用于无定型态[40]。Jin等通过原位聚合法将0.03~0.5wt%的石墨烯填充到PBS中获得PBS/GO纳米复合材料。通过拉曼光谱、热重分析(TG)、FTIR、SEM等进行表征,发现石墨烯对PBS有很大的成核作用,使其结晶温度、断裂伸长率、拉伸强度、降解速率均获得显著提高,但是结晶球的大小相应降低。并且发现PBS/GO纳米复合材料的降解能力比PBS要高[41]。利用PBS同聚Z-L赖氨酸共混得到新的材料的相关物化性能并没有太大的改变,但共混后PBS的降解能力增强,结晶度降低。故共混后的材料也可以作为可降解材料[42]。

3 小结

环境污染日趋严重,可降解塑料的重要性勿容置疑。PBS作为塑料家族的新成员在生物降解方面的研究鲜有报道,针对其降解酶和降解机理的研究更少。因此,在今后的研究中,分离降解菌株和降解酶以及深入研究降解机理势在必行。随着绿色塑料市场需求的增加,生产PBS类生物降解性聚酯产业的规模将会进一步扩大,需要在实际生活中建立完善的PBS循环处理系统。

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Advances in Biodegradation of Polybutylene Succinate(PBS)

HU Xue-yan,MAO Hai-long,SU Ting-ting,WANG Zhan-yong
(Coll.of Chem.,Chem.Engin.&Environ'l Engin.,Liaoning Petrochem.Uni.,Fushun 113001)

Polybutylene succinate(poly(butylene succinate),PBS)is a synthetic aliphatic polyester compound.PBS possesses low production costs,good thermal stability,good processing properties,mechanical properties and mechanical performance.The advances in biodegradation of PBS in recent years were reviewed in this paper,including PBS biodegradation compost,PBS microbial degradation and PBS degradable enzyme.Advances in PBS biodegradation studies were finally summarized.

polybutylene succinate(PBS);biodegradation;degradable enzyme

Q939.97;TQ316.6

A

1005-7021(2016)04-0084-06

10.3969/j.issn.1005-7021.2016.04.015

国家自然科学基金项目(31570097);辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划(LJQ2014040)

胡雪岩女,硕士研究生。研究方向为化学工艺。Tel:024-56861705,E-mail:1354031479@qq.com

*通讯作者。男,博士,教授。主要从事可生物降解塑料研究。Tel:024-56861705,E-mail:wangzy125@gmail.com

2015-09-08;

2016-01-09

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