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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
,
< br>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
[2]
司成为研究开发项目的股东共同开发生物
降解聚合物
。生物降解塑料是一种
在使用期间其使用性能优良<
/p>
,
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
,
< br>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（<
/p>
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
< br>(
表
1)
[4,10,11]<
/p>
,
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
< br>[5]
。
1989
年
,
美国材料与测试协会
ASTM2
096
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)
< br>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
< br>,
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 D5271-9
3
测试淀粉塑料降解率时
,
用加富土<
/p>
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.
PHA
s)
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]<
/p>
英国
ICI
公司经过
15
年的
努力
,
< br>于
1990
年采用真养产碱杆菌
(hus)
小批量生产出了商品名为
的
生物可降解塑料
PHBV
。
PH
B
是一种高融点
(T
0
m=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
< br>PHB
的制取技术是
PHAs
基
础。
3.1.1
产生菌
[8]
利用<
/p>
hus
合成
PHB
的研究最多
,
另外
,
还有固氮菌
(Azotobacter),
假单胞菌<
/p>
(Pseudomonas),
生丝微菌
(Hyphomicrobium X),
菌宿根
瘤菌
(Rhizobium meliloti),
嗜盐杆菌
(Halobacteria)
等
,
< br>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,
hus, 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
hus
的
PHB
合成关键酶基因导入
,
使
合成
PHB
[9
，
13]
。<
/p>
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