聚乙烯醇生物降解研究进展

收稿日期：２００７－０７－１７基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３）资助项目（２００３ＡＡ３２２０５０）；江苏省高技术资助项目（ＢＧ２００５０１６）；新世纪优秀人才支持计划资助项目作者简介：张颖（１９７４－），女，贵州贵阳人，工学博士，讲师，主要研究方向为纺织生物技术；Ｅｍａｉｌ：ｙｉｎｇｚｈａｎｇ＠ｊｉａｎｇｎａｎ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：陈坚（１９６２－），男，江苏无锡人，工学博士，教授，博导，主要从事工业生物技术及环境治理研究；Ｅｍａｉｌ：ｊｃｈｅｎ＠ｊｉａｎｇｎａｎ．ｅｄｕ．ｃｎ聚乙烯醇（ＰＶＡ）是一种人工合成的水溶性高分子化合物，在纺织、造纸、化工等行业有广泛的用途，但是在自然环境中它很难被降解，是水体中的难降解污染物之一，特别是在纺织工业废水中，据估计，每年我国纺织工业排放的ＰＶＡ废水数以千万吨计。

随着人们对纺织工业清洁生产的关注，研究者们考虑能否在退浆工艺中就实现对ＰＶＡ的生物降解，即将ＰＶＡ降解酶运用于纺织工业的退浆工艺。

如果能在退浆工段就实现对ＰＶＡ的生物降解，不仅能大大减少ＰＶＡ废水的排放，还能避免化学退浆过程中高温和氧化造成的棉纤维损伤。

实现ＰＶＡ降解酶工业化的前提是了解ＰＶＡ的生物降解聚乙烯醇生物降解研究进展张颖１堵国成２范雪荣１陈坚２（１江南大学纺织服装学院江南大学生态纺织教育部重点实验室，无锡２１４１２２；２江南大学生物工程学院江南大学工业生物技术教育部重点实验室，无锡２１４１２２）摘要：聚乙烯醇（ＰＶＡ）是一种在纺织和化工行业中广泛使用的难降解的高分子聚合物。

随着人们对纺织工业清洁生产的关注，如何在退浆工艺中就实现对ＰＶＡ的生物降解、减少ＰＶＡ废水的排放，并避免化学退浆过程中高温和氧化造成的棉纤维损伤，是近年来纺织生物技术领域的研究热点。

由于ＰＶＡ降解菌种类不多、培养周期长，ＰＶＡ降解酶酶活不高、提取不容易等原因，使ＰＶＡ的生化降解研究还局限在ＰＶＡ降解菌的筛选、ＰＶＡ降解酶的酶学性质研究等方面，ＰＶＡ降解酶还未在纺织工业上得到应用。

本文综述了近年来国内外在ＰＶＡ降解菌筛选、ＰＶＡ降解酶提取及酶学性质、ＰＶＡ生化降解机理等方面的研究进展，并讨论了ＰＶＡ生化降解研究中存在的问题及发展方向。

关键词：聚乙烯醇生物降解聚乙烯醇降解菌聚乙烯醇降解酶降解机理ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＰＶＡＢｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎＺｈａｎｇＹｉｎｇ１ＤｕＧｕｏｃｈｅｎｇ２ＦａｎＸｕｅｒｏｎｇ１ＣｈｅｎＪｉａｎ２（１ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｃｏ－Ｔｅｘｔｉｌｅｓ（ＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ），ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ２１４１２２；２ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ２１４１２２）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌａｌｃｏｈｏｌ（ＰＶＡ）ｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｈａｒｄ－ｄｅｇｒａｄａｂｌｅｐｏｌｙｍｅｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｓｕｃｈａｓｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｔｅｘｔｉｌｅｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｌｅａｎ－ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｔｅｘｔｉｌｅｉｎｄｕｓｔｒｙａｔｔｒａｃｔｅｄｇｒｅａｔｉｎｔｅｒｅｓｔａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆＰＶＡａｔｔｈｅｄｅｓｉｚｉｎｇｓｔａｇｅ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｏｆＰＶＡｗａｓｔｅｗａｔｅｒａｎｄｍｉｎｉｍｉｚｅｄａｍａｇｅｏｆｃｏｔｔｏｎｆｉｂｅｒｉｎｔｈｅｄｅｓｉｚｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｅｃｏｍｅｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｐｏｉｎｔｓｉｎｔｅｘｔｉｌｅｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｉｅｌｄ．Ｔｉｌｌｎｏｗ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｂｏｕｔｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆＰＶＡｉｓｍａｉｎｌｙｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｓｃｒｅｅｎｉｎｇｏｆＰＶＡ－ｄｅｇｒａｄｉｎｇｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＰＶＡ－ｄｅｇｒａｄｉｎｇｅｎｚｙｍｅｓｆｒｏｍｏｂｔａｉｎｅｄｓｔｒａｉｎｓ．ＰＶＡ－ｄｅｇｒａｄｉｎｇｅｎｚｙｍｅｓａｒｅｓｔｉｌｌｎｏｔａｐｐｌｉｃａｂｌｅｉｎｒｅａｌｉｎｄｕｓｔｒｙｐｒｏｃｅｓｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｌｏｗａｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｔｈｅｐｒｏｄｕｃｉｎｇｓｔｒａｉｎｓｏｆＰＶＡ－ｄｅｇｒａｄｉｎｇｅｎｚｙｍｅａｒｅｌｉｍｉｔｅｄａｎｄｔｈｅｙｏｆｔｅｎｇｒｏｗｖｅｒｙｓｌｏｗｌｙ．ＨｅｒｅｔｈｅｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＰＶＡｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｃｒｅｅｎｉｎｇｏｆＰＶＡ－ｄｅｇｒａｄｉｎｇｓｔｒａｉｎｓ，ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰＶＡ－ｄｅｇｒａｄｉｎｇｅｎｚｙｍｅｓａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＰＶＡｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ，ｉｓｒｅｖｉｅｗｅｄ．ＴｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｔｒｅｎｄｓｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆＰＶＡｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎａｒｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌａｌｃｏｈｏｌ（ＰＶＡ）Ｂｉｏ－ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎＰＶＡ－ｄｅｇｒａｄｉｎｇｅｎｚｙｍｅＤｅｇｒａｄａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ生物技术通报ＢＩＯＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＢＵＬＬＥＴＩＮ・综述与专论・２００７年第６期生物技术通报ＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｕｌｌｅｔｉｎ２００７年第６期过程，获得具有降解ＰＶＡ能力的微生物。

本文综述了ＰＶＡ生物降解研究方面的进展。

１ＰＶＡ的微生物降解Ｓｕｚｕｋｉ等于１９７３年［１］以ＰＶＡ为惟一碳源得到了第一株能够产生ＰＶＡ降解酶的细菌：ＰｓｅｕｄｏｍｏｎａｓＯ－３。

之后，其他研究者们也陆续发现了另外一些能够降解ＰＶＡ的细菌。

Ｗａｔａｎａｂｅ等［２］筛选到能降解ＰＶＡ的Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｓｐ．，在前期研究中认为Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｓｐ．为纯培养物，而在研究ＰＶＡ降解机理时又认为是Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ属几株菌的一个混合培养体系［３］。

Ｓａｋａｚａｗａ等［４］得到能够降解ＰＶＡ的共生细菌Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｓｐ．ＶＭ１５Ｃ和ＰｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｐｕｔｉｄａＶＭ１５Ａ。

菌株ＶＭ１５Ｃ必须在其共生菌ＶＭ１５Ａ提供生长因子吡咯并喹啉醌（ＰＱＱ）的前提下才能降解ＰＶＡ。

菌株ＶＭ１５Ａ不直接降解或利用ＰＶＡ，它利用菌株ＶＭ１５Ｃ降解ＰＶＡ所产生的代谢产物维持生长。

Ｈａｔａｎａｋａ等［５］筛选到Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｓｐ．１１３Ｐ３。

Ｋａｗａｇ－ｏｓｈｉ等得到的Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｖｅｓｉｃｕｌａｒｉｓｖａｒ．ｐｏｖａｌｏｌｙｔｉ－ｃｕｓＰＨ必须在添加酪氨酸、亮氨酸、半胱氨酸和硫胺素的情况下才能降解ＰＶＡ［７］。

除了假单胞菌属外，Ｍｏｒｔｉ等［８］筛选到了能够降解ＰＶＡ的芽胞杆菌Ｂａｃｉｌｌｕｓｍｅｇａｔｅｒｉｕｍ，Ｋｉｍ等［９］得到了能够降解ＰＶＡ的Ｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓｓｐ．ＳＡ３。

Ｍｏｒｉ等［１０］从纺织厂的污水处理车间分离出来的细菌ＢＸ１和ＧｅｏｔｒｉｃｈｕｍｆｅｒｍｅｎｔａｎｓＷＦ９１０１可以协同降解ＰＶＡ，其中ＢＸ１把大分子的ＰＶＡ切割成小分子量的ＰＶＡ低聚物，ＧｅｏｔｒｉｃｈｕｍｆｅｒｍｅｎｔａｎｓＷＦ９１０１利用这些ＰＶＡ低聚物进行生长。

Ｍａｔｓｕｍｕｒａ等从日本的河水中分离得到能降解ＰＶＡ的ＡｌｃａｌｉｇｅｎｅｓｆａｅｃａｌｉｓＫＫ３１４［１１￣１２］。

通过研究发现，能够降解ＰＶＡ的微生物在自然界中的分布并不广泛，一般仅存在于被ＰＶＡ污染的环境中。

在筛选过程中必须以ＰＶＡ作为筛选培养基的惟一碳源，以形成一个ＰＶＡ胁迫的环境，才能筛选到ＰＶＡ降解微生物。

Ｔｏｋｉｗａ等［１３］认为ＰＶＡ氧化酶在作用过程中产生的对微生物有毒害作用的Ｈ２Ｏ２是造成目前为止筛选到的ＰＶＡ降解菌数量不多的重要原因，Ｔｏｋｉｗａ等在筛选固体培养基中加入过氧化氢酶以分解掉Ｈ２Ｏ２，有针对性的筛选出能够产生ＰＶＡ氧化酶的ＳｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓｓｔａｉｎＴＪ－７和待鉴定的菌株ＴＫ－２。

国内也有研究者进行了一些这方面的研究，王银善等人［１４］分离出ＰＶＡ降解共生菌，分别为Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｓｐ．ＳＢ１ｒ和Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓｓｐ．ＳＢ１ｓ，菌株ＳＢ１ｒ为菌株ＳＢ１ｓ降解ＰＶＡ提供生长因子，菌株ＳＢ１ｒ产生的生长因子是什么物质目前为止没有研究清楚。

廖劲松等［１５］将筛选到的能够降解ＰＶＡ的菌株进行了原生质体融合，并将融合子菌株用于培养活性污泥。

李朝等［１６］筛选到有降解ＰＶＡ能力的红球菌。

目前为止，研究者们得到的能够降解ＰＶＡ的微生物基本上都是细菌，并且绝大部分是假单胞菌属，除了ＰｓｅｕｄｏｍｏｎａｓＯ－３［１］和Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｖｅｓｉｃｕｌａｒｉｓｖａｒ．ｐｏｖａｌｏｌｙｔｉｃｕｌＰＨ［６］，其余的细菌都不能单独彻底降解初始培养基中的ＰＶＡ，ＰＶＡ的不彻底降解造成ＰＶＡ降解酶的提取困难，因为在提取过程中ＰＶＡ和蛋白会形成一种乳白色的凝胶状物质［１４］，使ＰＶＡ降解酶无法提取。

并且这些细菌都存在培养周期长，酶活低的问题。

Ｃｈｉｅｌｌｉｎｉ等［１７］认为要靠单一微生物实现对ＰＶＡ的彻底降解是非常困难的，只有通过驯化混合菌群才能达到对这种高聚物的彻底降解，Ｃｈｉｅｌｌｉｎｉ等从一个造纸厂污水处理污泥中得到一个混合细菌体系，经过驯化后被用来研究对ＰＶＡ的降解特性［１７］。

该混合体系降解ＰＶＡ的能力受ＰＶＡ聚合度的影响不大，而受醇解度的影响很大；在ＰＶＡ聚合度相同时，该混合体系降解高醇解度的ＰＶＡ有一个明显的延滞期。

Ｃｈｉｅｌｌｉｎｉ等从该混和体系中没有分离出能够单独彻底降解ＰＶＡ的纯菌株［１７］，得到一株只能利用低分子量ＰＶＡ进行生长的细菌，该细菌也不能彻底降解其所能利用的低分子量的ＰＶＡ。

本研究室在前期的研究工作中首次报道了能够降解ＰＶＡ的青霉［１８］和能够降解ＰＶＡ的放线菌［１９］，并对它们产生ＰＶＡ降解酶的发酵条件进行了初步研究。

２ＰＶＡ降解酶如前所述，如果能在退浆工段就实现对ＰＶＡ的生物降解，不仅能大大减少ＰＶＡ废水的排放，还能避免化学退浆过程中高温和氧化造成的棉纤维损伤。

在实际应用过程中，酶制剂比微生物制剂更为方便和有效。

因为ＰＶＡ降解微生物在降解ＰＶＡ５２２００７年第６期时还需要有其他营养因素及氧的存在，而且降解速度比较慢，很难在棉织品染整中应用。