分解人工合成的高分子化合物的微生物及其研究进展

分解人工合成的高分子化合物的微生物及其研究进展

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进入21世纪以来，随着科技进步和社会生产力的极大提高，人类创造了前所未有的物质财富，加速推进了文明发展的进程。高分子材料以其优异的性能已经成为人们生活中必不可少的物质，但同时高分子材料又是难以自然降解的，长期大量的使用已经导致了环境污染的加剧，引起了人们对高分子物质废料处理的关注。目前全世界每年生产塑料12亿吨，用后废弃的大约占生产量的50%～60%。废塑料的处理以掩埋和焚烧为主，但这两种处理方法会产生新的有害物质[1]。对此，一些国家实行了3R工程，即减少使用(Reduction)、重复使用(Reuse)和回收循环(Recycle)。但对一些回收困难、不宜回收或需要追加很大能量才能回收的领域(如食品包装、卫生用品)，实施3R工程很困难 ,而如果使用生物降解材料则十分有利[2]。降解高分子材料是指在使用后的特定环境条件下，在一些环境因素如光、氧、风、水、微生物、昆虫以及机械力等因素作用下，使其化学结构能在较短时间内发生明显变化，从而引起物性下降，最终被环境所吸纳的高分子材料。降解性高分子物质可分为光降解型、微生物降解型和具有光、微生物降解型高分子物质[3]。由于微生物降解方法具有成本低、无二次污染、生态恢复好等优点，进入80年代以来，发达国家更是对有益环境的微生物降解高分子材料的开发、应用研究领域投入了大量人力物力，取得了巨大的经济环境和社会效益。国内的研究者也在分离可酶解转化有机化合物的微生物，探索高分子物质微生物降解途径的多样性，研究微生物引发生物降解的生化和遗传机制等领域做了大量工作[4]，并取得了可喜的成绩。

1．生物降解高分子材料的分类

生物降解高分子材料是指在自然环境中通过微生物的生命活动能很快降解的高分子材料。按照其降解特性可分为部分生物降解型和完全生物降解型;按照其来源则可分为化学合成型、天然高分子型、掺混型、微生物合成型、转基因生物生产型等[5]。

1．1化学合成型

化学合成的生物降解性高分子材料大多是在分子结构中引入酯基结构的脂肪族(共)聚酯，在自然界中其酯基易被微生物或酶分解。目前已工业化的主要代表品种有聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚琥珀酸丁二酯(PBSU)等。

PLA具有良好的生物相容性和生物降解性，可完全参与人体内代谢循环，因而在医用领域获得大量应用，如手术缝合线、缓释药物载体、体内埋植材料等，此外还可用作食品包装、卫生用品等。

此外，为了改进PCL、PLA等的物理机械性能，可采用共聚方法进行改性，如PCL与PBT、PET、PEI等共聚可得到具有良好力学性能的生物降解性聚合物；PCL、PLA作为柔性链段，可制备生物降解性PU弹性体。据报道经改性的PBS,物理力学性能类似PET,成型加工性类似PE。

乙烯与其他单体共聚制备生物降解高分子材料也有研究。乙烯-二氧环烷烯共聚制得的共聚物具有良好的生物降解性和优良的力学性能，是一种有潜力的降

作为乙烯聚合终止剂得到羧基封解材料，可制成纤维、薄膜、容器等。采用CO

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端的乙烯低聚物，然后与1、8-辛二醇二酯缩聚可得到具有生物降解性的聚酯型乙烯聚合物。

1．2天然高分子型

利用淀粉、纤维素、甲壳素、木质素等可再生的天然资源可制备生物降解高分子材料。这类原料来源丰富，且属天然高分子，具有完全生物降解性，因而对其应用研究方兴未艾，其中以日本、德国的研究开发最活跃，并已开发出各自品牌的产品，只是其成本还有待降低。

近年来我国有研究单位采用从稻草、麦秸等草本植物中提取的纤维素为原料，经一定的处理后加工制成地膜，开发应用取得了一定的进展。目前尚需改进该类地膜性能，还有许多技术难题有待解决。

1．3掺混型

将两种或两种以上的高分子物共混复合，其中至少有一种组分为生物可降解，由此可制得掺混型生物降解高分子材料。选用的生物降解组分(或组分之一)大多采用淀粉、纤维素、木粉等天然高分子，其中又以淀粉居多。淀粉掺混型生物降解高分子材料大致可分3种类型：淀粉填充型、淀粉基质型、生物降解高分子共混型。

采用化学合成型生物降解高分子与天然高分子如淀粉进行共混，即可达到对两者改性的目的又可降低成本。由PCL和糊化淀粉制得的共混物价廉耐水性好，力学性能优异，生物降解速度快，制成的容器填埋在土壤中6个月，失重率约达50%。

1．4微生物合成型

微生物通过生命活动可合成高分子，这类高分子可完全生物降解，主要包括微生物聚酯和微生物多糖，其中微生物聚酯方面的研究较多。研究发现，目前可供用于合成微生物聚酯的细菌约有80多种，发酵底物主要为C1～C5化合物，如、羟基乙酸、3-羟基丁酸、4-羟基丁酸丙酸、戊酸、丁二醇、1 ,5-甲醇乙醇、CO

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戊二醇、γ-丁内酯、葡萄糖等。采用3HB (3 -羟基丁酸)为底物可合成聚(3HB)的玻璃化温度为5℃，熔点为175～180℃，是一种可完全生物降解、成型加工性良好的热塑性塑料，但因结晶度高而性脆，至今还未得到实际应用改变发酵底物、组成及配比可合成微生物共聚酯，达到对聚(3HB)改性。

此外，许多微生物能合成各种多糖类高分子，某些微生物多糖具有良好的物理力学性能和生物降解性，其中一部分适宜于工业化生产，已应用于食品及医疗等。由微生物生产的微生物纤维素制得的薄

膜，杨氏模量可高达38Gpa，在日本已用作高性能扬声器的振动膜片。

1．5转基因生物生产型

韩国科学技术院生物工程开发中心研究人员利用现代生物技术从一种细菌中获取合成高分子的基团，转入大肠杆菌中获得有效表达建构“工程大肠杆菌”。这种“工程大肠杆菌”在1m3反应器的底物中发酵40h可生产80kg以上的生物降解高分子。美国学者通过转基因方式，将自豌豆植物中提取的DNA片断外源基因转入拟南芥菜细胞，使其叶绿体能产生P(3HB)颗粒，产生P(3HB)的能力提高了3倍，这种转基因植物将成为生物降解高分子开发的一个新的方向。