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1、生物合成材料聚β－羟基丁酸（ＰＨＢ）的研究进展王立强吕小妹陈鸣镝 摘要:聚β-羟基丁酸(PHB)是许多原核微生物在碳、氮营养失衡的情况下作为能量和碳源储藏在生物体内的一类热塑性聚酯。作为完全可生物降解材料,PHB越来越引起人们的关注。有力文章主要阐述了国内外PHB合成方法、性能改良、降解等方面的进展,并对其发展前景作出展望。 关键词:PHB;生物降解材料;生物合成;改良;降解 随着石油化学工业的发展,化学合成塑料的使用越来越广泛,作为合成高分子材料,化学合成塑料在自然环境下难以分解,造成了严重的“白色污染”。过去对废
2、旧塑料的处理办法主要是土埋和焚烧,土埋浪费大量的土地,焚烧则会产生大量的二氧化碳及其它对人有害的氮、硫、磷、卤素等化合物,助长了温室效应及酸雨的形成。面对日益严峻的资源和环境问题,走可持续发展道路,就要研究开发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,分解产物可全部为生物利用,目前研究较为深入并初步进入商品化阶段。 1PHB的性质 聚羟基丁酸酯PHB,作为一种天然高分子聚合物,具有生物相容性、生物可降解性、无刺激性、无免疫原性和组织相容性等特殊性能,在组织工程、药物缓释控释
3、系统、骨科以及医用手术缝合线领域获得成功的应用。PHB有良好的生物降解性,其分解产物可全部为生物利用,对环境无任何污染;其熔融温度为175～180℃,是一种可完全分解的热塑性塑料。它的物理性质和分子结构与聚丙烯(PP)很类似,如摩尔质量、软化点、结晶度、拉伸强度等,目前主要应用于医疗、工业、包装、农业等领域。 2PHB的生物合成 PHB的生物合成途径有微生物发酵法,转基因植物法。 2.1微生物发酵 微生物发酵生产是获得生物可降解塑料的主要途径,近30年大量的研究工作集中于发酵工艺的改进和高效菌株的筛选来提高PH
4、A的容积产率和胞内含量。最近利用污水处理系统中的活性污泥合成PHB,大大降低了底物成本且无需灭菌操作,大大降低了成本,吸引了广泛的关注。 2.1.1细菌发酵合成PHB工艺改良 到目前为止,已发现100种以上的细菌能够生产PHB。通常,在自然环境中微生物能储备干燥菌体质量5%～20%的PHB。在合适的条件,如碳源过量、限制氮、磷等发酵条件下,PHB含量可以达到细胞干重的70%～80%自然界中许多属、种的细菌在细胞内都能积累PHB颗粒,如产碱杆菌、甲基营养菌及鞘细菌等。于平、励建荣等在相关研究文献[1]中指出真养产碱杆菌发酵生
5、产聚β-羟基丁酸(PHB)的最优化培养基组成和培养条件为:葡萄糖4.0%,硫酸铵0.3%,pH7.2,装液量80mL/250mL,接种量10%,PHB的质量浓度达到最高值0.825g/L,细胞干重为1.734g/L。鞘细菌对环境的适应能力较强,且有研究表明,其细胞内的PHB贮存比例较高。全桂静和程文辉[2]通过实验表明:以甘油和蛋白胨为碳源和氮源,适宜条件下100mL发酵液的PHB产量最高可达10.58mg。 2.1.2筛选高效菌种 国内外对于高效菌种的选育主要有构建基因工程菌法和紫外线诱变法。1987年,吉利亚James
6、Madison大学的Dennis成功地从A.eutrophus中克隆到合成PHB的基因,并转入E.coil中构建成重组E.coil突变株,其细胞比正常细菌细胞大10倍,该菌株可以直接利用各种碳源,如葡萄糖、蔗糖、乳糖、木糖等廉价底物,进一步降低了成本。奥地利维也纳大学在组建工程大肠杆菌的同时引入热敏噬菌体溶解基因,可使细菌易裂解释放PHB,这一成果的最大特点是可降低提取成本,为推向市场打下基础。在国内也有一些紫外诱变法筛选优良菌株的研究,使原始菌株PHB产量得到很大的提高,如国家重点基础研究发展计划项目中徐爱玲、张帅等采用紫外
7、线照射和放射性元素钴60辐射诱变方法,对AcidiphiliumcryptumDX1-1进行了诱变改良,诱变后筛选得到的一株菌UV60-3,PHB含量达到28.56g/L,是原菌株的1.45倍,并且可稳定遗传。对菌株UV60-3积累PHB的碳氮比进行了探索,结果显示在碳源浓度60g/L,氮源浓度30g/L,C/N为3.76时PHB含量最高,PHB含量达到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与微生物群合成PHB是生物合成PHB的一条新途径,既处理了污水,又降低了合成费用,而且得到的产
8、物其性能比单一菌株在纯碳源培养得到的PHB要优越。在污水处理过程中,活性污泥微生物常常将可快速降解的碳源物质贮存为PHA,而不是首先将它们用于生物量的增长,因此,可以通过适当的工艺调控将活性污泥驯化为PHA的生产者。日本东京大学的Satoh.H.研究小组发现采用“微嗜气2好气
