Application of biotechnique in the biodegradabale resin and its’ prospect Zhu Haoju, Liang Yunxiang, Li Yunzheng#, Yan Chuntai (The institute of life science and biotechnique Huazhong agriculture univisity Wuhan 430070 #The center of material Beijing institute of tchnique Beijing 100081) Abstract This report surmmerised that application of biotechnique in the biodegradabale resin and its' prospect. It included microbial degradation, biosynthesize of biodegradable macromolecule, transgene plant and enzyme synthesize Key word Biotechnique, Biodegradabale, resin, PHB 摘要 本文综述了生物技术在降解树脂中的微生物降解、生物合成、转基因植物和酶法合成的应用以及应用前景。 关键词 生物技术 生物降解树脂 聚β-羟基丁酸 生物技术在生物降解塑料中的运用及展望 朱浩君 梁运祥 李云政# 阎淳泰 （华中农业大学生命科技学院 武汉 430070 #北京理工大学材料中心 北京 100081） 1 概述 生物降解塑料自八十年代问世以来,一直成为新材料研究的热点问题。防治“白色污染”是该领域研究的主要动力,在垃圾总量中塑料垃圾所占比例一般不超过10%,但由于其通用性和不腐烂性而格外受人关注。1990年以来,德国、奥地利、荷兰、美国、意大利等西方发达国家率先以法律形式规定使用降解性塑料的产品范围[1],1990年,日本通产省开始支持生物降解塑料的研究,11个公司成为研究开发项目的股东共同开发生物降解聚合物[2]。生物降解塑料是一种在使用期间其使用性能优良,而使用后又可迅速地被酶或微生物促进水解降解的高分子物质，目前我国主导的生物降解塑料产品是在非生物降解的高分子材料中添加可被微生物利用的Ｃ源物质[3],通过这些物质的被利用吸收而致使整个材料物理性能崩溃,促使大量端基暴露以致氧化降解,但这种"崩溃"后的剩余高分子材料达到完全降解还需要很长时间,这种共混物从严格意义上讲并非完全生物降解型高分子,但已从很大程度上减少了"白色污染"。
表1 生物降解高分子同聚β-羟基丁酸酯结构比较
高分子种类 | 重复单元结构
聚乙交酯（PGA） |
聚丙交酯（PLA） |
聚己内酯（PCL） |
聚β-羟基丁酯（PHB） |
如今淀粉/聚乙烯已经得到相当程度的应用,但是由于其价/能较高,推广受到一定的障碍。而一些聚酯类高子具有和微生物本身可成合成的聚β-羟基丁酯(PHB)相类似的结构(表1)[4,10,11],由于无毒,又能在酸、碱和微生物条件下完全降解，不仅具有良好的生物相容性和对药物的透过释放性能等医学方面的价值,而且可以加热熔融具有良好的塑性，不但可以直接制成生物降解制品，而且可以将它们作为塑料的改性料和聚乙烯等高分子进行共混改性，它们的用途将比淀粉塑料要宽广得多[5]。 1989年,美国材料与测试协会ASTM2096委员会开发出七种标准条件的标准测试方法,日本工业科技机构(MITI)承担了测定活性污泥中可降解的有机高分子生物妥的测试方法。这些方法主要建立在BOD(生物好氧量)测定法基础上.生物降解塑料的开发、研究一直伴随着生物技术的运用，从聚合物生物降解ASTM的测试方法的建立到PHBV的生物合成,乃至酶促合成法的构思和转基因植物的大胆设想都表现出生物技术的美丽光环。随着人们对生物降解塑料的研究、认识的加深,其适用范围的扩大,尤其在医学领域，生物技术越发显出其优越性,随着近几年分子生物学的飞速发展,使得PHBV的工业化生产有了希望之星。由于酶对底物高度专一性,使得酶法聚合过程中,无副产物生成,产物容易分离,酶可回收利用,催化反应条件温和（一般在常温常压下反应）。利用酶的立体专一性，还能合成一些用传统方法得不到的产品，如具有光学活性的生物降解的高分子化合物[6],转基因植物的设想是把PHB合成基因转到植物中去表达,使得PHB的成本大大降低.虽PHB基因在植物中已成功表达,但还存在不少问题[5]。 2 关于淀粉塑料 2.1 淀粉塑料的降解生物促进 淀粉塑料目前是生物降解塑料的主导产品,主要是利用改性淀粉增强,淀粉与聚乙烯之间的相容性,但是共混物中的乙烯-丙烯酸共聚物和聚乙烯是非生物降解材料,淀粉的添加量、混均率决定其降解率和机械性能，所以研究者一直致力于增容剂的研究和加工机械的改良，并取得了良好的效果，但是降解率和机械性能在淀粉塑料中是一对矛盾体,不可兼得。 2.2 淀粉塑料的降解微生物 引用ASTM D5247-92,ASTM D5271-93测试淀粉塑料降解率时,用加富土壤淹埋法测得其降解微生物主要是霉菌与放线菌这可能是因为丝状体更容易深入共混物内部生长,尤其是膜料中的聚乙烯和淀粉并非均相分布,聚乙烯流动性好,在吹塑过程中,膜表面的聚乙烯含量偏高,使得细菌在初期很难去降解这类共混物,所以在降解菌的研究方面着重考虑霉菌与放线菌。 3 生物降解高分子的生物合成 3.1 微生物发酵法 用微生物发酵法生产聚β-羟基脂肪酸(Polyhydroxyalkanoic acids. PHAs)已成为研究生物降解塑料的热点,而聚β-羟基丁酸PHB是PHAs中最典型的一种,是原核生物中一种碳源物质,自1926年被发现以来,相继80多种不同的脂肪酸作为PHAs的单体在约300种细菌中被发现[7]英国ICI公司经过15年的努力,于1990年采用真养产碱杆菌(A.eutrophus)小批量生产出了商品名为"Biopol"的生物可降解塑料PHBV。 PHB是一种高融点(T0m=178℃)结晶的热塑材料,机械物理特性与聚丙烯相似,但比聚丙烯脆,并且熔化温度和分解温度接近,因此熔点加工难予控制,但含有＜10%mol的β-羟基戊酸单元的聚(β-羟基丁酸-β-羟基戊酸)PHBV克服了这些缺点,而且可以依单体的组成不同,PHAs具有从硬的晶体到软的弹性体等一系列不同聚合物的性质,所以PHB的制取技术是PHAs基础。 3.1.1 产生菌[8] 利用A.eutrophus合成PHB的研究最多,另外,还有固氮菌(Azotobacter),假单胞菌(Pseudomonas),生丝微菌(Hyphomicrobium X),菌宿根瘤菌(Rhizobium meliloti),嗜盐杆菌(Halobacteria)等,利用廉价碳源的高产菌株的发现与选育是目前最具有应用意义的研究。 3.1.2 基因工程菌 人们已经从zooloea ramigera, Pseu- domonas oleovorans, Rhodococcus ruber, A.eutrophus, Methylobacterium extor- quens, Rhodobacter Sphaeroides 中克隆到PHAs合成途径的关键酶基因,许多实验室将A.eutrophus的PHB合成关键酶基因导入E.coli,使E.coli合成PHB[9，13]。此基因包括:phbA(β酮硫裂解酶基因)、phbB(依赖NADPH的乙酰乙酰COA还原基因)、phbc (PHB合成酶基因)。 3.1.3 高密度培养技术 高密度培养技术是PHB产量的关键所在,PHB是胞内C源物质,培养密度越高,PHB产量也相对越高,但是O2的供应,副产物的反馈抑制,高CO2分压,纯O2的毒性,粘度增加使得高密度培养成为一难题。人们研究利用透析培养,循环培养,固定化细胞培养,补料分批培养等高密度培养技术已获得了比常规分批培养更高的细胞密度,并取得明显的效果,Ryu-H.W利用补料分批培养技术,使得细胞浓度达281g/L,PHB含量达232g/L这是目前报导的最高水平[14]。 3.1.4 PHB提取技术 由于PHB以颗粒状态存在于细胞中,分离提取都比较困难,利用热敏噬菌体促使产生菌裂解释放PHB是未来研究方向,传统方法都立足于机械破胞和非机械破胞技术,显然不优于自身裂解。 另外，转基因嗜盐芽孢杆菌也是解决破胞困难的新技术。该研究基于嗜盐芽孢杆菌在低渗条件下自动破胞。 3.2 微生物发酵法和化学合成结合使用 聚交酯是以乳酸为原料制得生物降解塑料,能与活细胞相容,可被微生物分解成水和CO2乳酸主要是通过微生物发酵法生产而得,乳酸发酵水平决定了聚乳酸的市场开发。这类高分子的降解速度可通过共聚的方法来调节和控制,乳酸通过齐聚,解聚以及交酯聚合而得交酯.分子量的大小和催化剂的选择以及聚合条件有关.由于聚交酯的生物相容性,医用价值相当大。一只进口的聚乳酸骨钉价格高达一千元人民币。但是九十年代市场开发的主要方向是包装材料(食品和饮料盒),一次性生活用品和垃圾袋。市场开发的障碍是成本过高,这就要求乳酸发酵水平的提高,聚乳酸工艺的改善。日本SHIMAZU公司采用的聚交酯生产装置是在150-160℃常压下将乳酸转化为交酯随后开环聚合得聚交酯,届时聚乳酸价格将大幅度下降。 3.3 转基因植物 利用植物资源生产PHB,象淀粉一样在土豆中积累,可以大大降低生物降解塑料的成本。 美国和奥地利合作将A.eutrophus的PHB合成基因成功地导入芥科植物、萝卜和甜菜以及粮食作物土豆玉米植物中,并得到了表达。 他们的工作是利用CaMV35S启动子将A.eutrophus的PHB主导合成途径的phbB,phbc两基因导入拟南芥菜中,并利用植物本身具有的酮琉裂解酶,合成了一定量的PHB[15]。 但是还存在许多问题:1 原核基因在真核生物中表达的障碍；2 底物运输困难；3 遗传学的隐患；4 提取问题。 4 酶合成法 用酶法合成的高分子材料都是完全可生物降解材料,主要包括聚酯类,聚糖类,聚酰胺类。 聚酯类的酶促合成是利用脂肪酶的线性单体缩合反应和内酯的开环聚合反应合成聚酯,聚糖酯是在聚酯链上引入糖基,以增强聚合物的生物降解性[8]。 酶法合成生物降解塑料是一新的课题,虽有许多不完善之处,但作为一种新型的有广阔前景的方法必将发挥其应有的价值。 5 展望 生物降解塑料为人类展示了一个环境科学,分子生物学,生物化学,高分子化学以及化工机械交叉的全新的科学领域。不同类别的生物降解塑料都在该领域承担了不同的角色。如淀粉塑料,以其价格便宜,易成型最有希望率先替代聚乙烯材料制成的一次性生活用品和"白色污染"最深的农用地膜。而PHB的工业化将是生物降解塑料的一场革命,使完全生物降解塑料不仅用于医学,也用于农业,食品工业,包装材料。从根本上解决“白色污染”的大问题。聚乙醇酸,聚乳酸都将在发酵技术提高的前提下,提高聚合工艺,而使其得到广泛推广运用。酶促合成法和转基因植物在生物降解塑料的合成研究法上给人类开拓了视野,开辟了新的研究方向,生物聚合物的研究与开发,加快其产业化是环保的有效措施,也是生物降解塑料研究趋势。生物技术参与到材料科学中,使材料科学增加了新的研究领域--生物材料,生物聚合材料必将是生物降解塑料研究的主要方向,人类的“白色污染”将会真正解决。 6 参考文献 [1] 村内一夫等. ブラスチツケスエジ1992 NOV:197 [2] 胡承曦等. 化工新型材料, 1996,1: 1-5 [3] 李云政等. 塑料, 1996,25(2): 12-15 [4] 常盘丰等. 高分子, 1984,33: 378 [5] 王身国等. 化学通报, 1997,2: 45-48 [6] 董恒等. 化学通报, 1997,3: 8-14 [7] 洪葵等. 微生物学通报, 1998,25(2): 110-113 [8] 石海平等. 食品与发酵工业, V0l.24,No.2: 79-81 [9] 谢安勇等. 植物学通报, 1994,11(4): 21-25 [10] Kunioka M. et al. Macromolecules, 1989,22:692 [11] Doi M. et al. macromolecules, 1989,21:2722 [12] Herskowitz. et al. I nature 342:749-757 [13] Kusaka -s. et al. Appl-MicroBiol-Biotechnol, 1997,vol.47,no.2:pp.140-143 [14] Ryu-Hw. et al. Biotechnol-Bioeng, 1997,vol.55,no.1:pp.28-32 [15] Poirier. et al. 1992 science 256:520-523 [16] Lee -jung-Heon. et al. J.-Biotechnol,1997,vol.55,no.3:pp.135-150 [17] Kusaka -s. et al. Appl.-miccrobiol.-biotechnol.1997vol.47,no.2:pp140-143 [18] Shin -p.k. et al. J.-Environ.-Polymer-Degradation 1997vol.5,no.1:pp.33-39 [19] Haenggi -U. et al. J. Fems-Microbiol.-Rev.1995 vol.16, no.2-3: pp.213-220 [20] Charles -T.C. et al. Genetics 1997 vol.16, no.4: pp1211-1220 朱浩君 男 28岁 工程师 从事生化工程及分子生物学专业研究。 1998-10-31收稿