神奇的塑料降解方法

撰稿: 发布时间:2020-05-27

  塑料是人类伟大的发明,它在可塑性、耐用性和化学稳定性等方面都令传统材料望尘莫及。因此,它们被广泛地应用于工业生产和生活领域,可谓无处不在、无时不有。据统计,目前全世界每年的塑料产量约达4亿吨,然而这还远远不能满足人类的胃口。

  塑料制品的大量生产和利用后,随之而来的就是源源不断的环境污染问题。研究表明,70%左右的塑料制品会因为各种原因进入到自然环境中,仅中国每年就产生7000多万吨塑料垃圾。然而,由于塑料的物理化学结构稳定,自然环境下难以分解,会造成长期的深层次的生态问题。微塑料(microplastics)污染就是其中之一。

  海洋中的PM2.5

  陆地上的塑料垃圾暴露在阳光和空气中,会逐渐变质并分裂为微小的碎片和颗粒。科学家把其中直径小于5mm的碎片和颗粒定义为“微塑料”。微塑料的另一个来源是工业原料以及洗化用品中使用的塑料微珠。这些次生微塑料和初生微塑料组成了漂流大军,浩浩荡荡地朝大海进发。

  微塑料在数量级上和一些动物的食物相似,所以极易被鱼鸟等生物吞食。微塑料不仅会对动物消化系统造成严重的物理伤害,更可怕的是它还能吸附并释放水体中的重金属、有机废物和致病微生物,致使这些动物发生病变甚至死亡。而随着食物链从低营养级向高营养级流动,微塑料最终会出现在人类的餐桌上。

  聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)就是最主要的塑料之一,由于具有优良的物理化学性能,被大量应用于纺织纤维、包装材料和饮料瓶的生产制造。因为PET制品使用后产生的废品量巨大,并且难以自然分解,所以PET废弃物的有效降解已成为当今人类社会急需解决的问题之一。

  高温是PET生物降解的助推器

  与热裂解等条件剧烈的方法相比,PET生物降解法具有反应温和、环境友好等优势。目前,已经有一系列具有降解活性的酶得到分离鉴定。微生物酶对低结晶PET的降解有见报道,但在高结晶PET的降解上依然存在瓶颈。

  研究表明,当温度接近玻璃化转变温度(约70℃)时,聚酯链的波动性会增加,能够提高酶对底物的可及性,从而提高PET的降解效率。因此,科研人员提出需要开发高温生物催化的PET降解技术。虽然目前已有嗜热PET降解酶的相关报道,但嗜热底盘细胞的缺乏限制了高温生物催化技术的开发。

  宝剑配英雄

  中科院青岛生物能源与过程研究所代谢物组学研究组科研人员最近发表了全新嗜热全菌催化PET塑料降解策略。这是一种高效的全菌催化技术,有望应用于未来大规模的PET废弃物降解。

  热纤梭菌是一种典型的嗜热细菌。研究人员前期已成功建立了成熟的基因操作平台,可以实现热纤梭菌的任意遗传改造,从而定向打造高效的全菌催化剂。目前,研究人员已经将基于热纤梭菌的全菌催化技术成功应用于木质纤维素的生物转化领域,建立了新型的整合生物糖化技术。

  在此基础上,研究人员以热纤梭菌作为底盘细胞,将来自枝叶堆肥元基因组的嗜热角质酶LCC在热纤梭菌中进行异源表达,从而成功建立了具有PET降解功能的嗜热全菌催化剂(图1)。该全菌催化剂可以在60℃条件下,14天内成功将60%的商业化PET塑料薄片转化为可溶性单体。

  热纤梭菌就是借助LCC这把利剑,切断坚韧的聚酯链,将PET薄膜戳得千创百孔(图2)。HPLC检测数据显示,大部分的PET被分解为乙二醇和对苯二甲酸等单体小分子物质。这种基于热纤梭菌重组菌株的全菌催化剂的PET降解性能,显著高于之前报道的基于嗜中温细菌和微藻的全菌催化体系。

  研究人员指出,热纤梭菌可以通过合成纤维小体高效降解木质纤维素,是一种天然的纤维素降解菌株。因此,基于热纤梭菌的全菌催化策略还有望在含有纤维素和聚酯两种组分的纺织混合品废弃物的生物回收中发挥出巨大的应用潜力。

图1 LCC表达质粒pHK-LCC构建以及在热纤梭菌中的活性表达及外泌

图2 全菌催化剂孵育14天中PET薄膜表面形态变化

  

  文章来源:中国科学院青岛生物能源与过程研究所