PET塑料降解及其降解酶改造方法的研究进展

塑料是一种合成或天然的高分子聚合物,因其良好的耐用性和可塑性,已在工业领域和日常生活中得到广泛应用。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是常用的一种塑料,在多个领域都有广泛应用,但是,未经过人工处理的PET在自然情况下很难被降解,给生态系统带来严重负担,因此PET塑料的降解与再生问题已经成为全球性的热点问题,也衍生了许多降解的方法,如光降解法、热降解法、生物降解法等。其中,生物降解法因绿色环保而被认为是一种理想的降解方法。生物降解法中酶降解方法是一种十分环保且较高效的降解方法,而PET降解酶的设计改造成为PET降解的重点问题。综述了现阶段降解塑料的主要方法、生物降解法降解PET的常用酶以及PET降解酶的改造方法,以期为PET的快速降解与再生提供理论依据。

镁掺杂氢化二氧化钛光催化还原CO_(2)协同降解PET

通过将镁粉和二氧化钛纳米粒子的混合物于氢气气氛中,550℃煅烧得到镁离子掺杂的氢化二氧化钛(MHTO-550)催化剂.Mg 2+掺杂及表面丰富的缺陷不仅增强CO_(2)在MHTO-550表面的吸附,而且促进光生电子-空穴对的有效分离.因而MHTO-550表现出明显优于纯锐钛矿型TiO_(2)的光催化活性.在2 mol/L KOH溶液中,MHTO-550催化还原CO_(2)至CO的产率为纯TiO_(2)的2.9倍.此外,工业用聚对苯二甲酸乙二醇酯粉末(PET)的协同氧化进一步促进光生载流子的分离,当PET用量为1.0 g时,CO的生成速率增至126.0μmoL·g^(-1)·h^(-1),是未添加PET体系中的22.7倍.同时,1H-NMR谱显示PET的氧化产物主要为乙二醛、乙醛酸、乙酸等有机物.

PET塑料废弃物及微塑料生物降解与转化的研究现状与展望

塑料工业的发展在给人类社会带来方便的同时,也导致大量的废旧塑料垃圾不断产生,给全球生态系统带来了严重的负担。我国是塑料生产和消费大国,在塑料的研究和治理等方面都面临空前的国际舆论压力,近年来,我国相继推出一系列限塑禁塑政策,发展高效塑料降解策略已成为生态、环境、能源等领域发展的迫切需求。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是应用最广泛的合成聚酯之一,通过生物酶法对其回收是一种绿色理想的处理方法,为解决PET废弃污染提供新契机。近年来,不同来源的PET水解酶可分为来自嗜热微生物(放线菌和真菌)的嗜热降解酶和来自中温细菌的温和降解酶。这2种在不同温度下发挥高效PET降解能力的酶对于PET废弃塑料处理有着不同的优势。本文主要对可回收PET废物以及无法有效回收的微塑料的生物降解的研究现状进行梳理总结,重点阐述了PET降解酶设计改造策略和应用前景,以期为开发高效PET降解酶提供参考依据,为资源可持续发展和环境治理等重大问题提供资源储备。

PET塑料降解微生物的研究进展

降解PET塑料微生物是研究PET塑料生物降解酶及其应有的重要基础。本文简要全面地对来自自然界的降解PET塑料微生物、从宏基因库组中筛选的PET塑料降解酶,以及基于生物技术改造的PET塑料降解微生物和酶等进行了综述,并展望了PET塑料降解微生物的研究发展趋势,为后续深入研究PET生物降解提供参考。

现代生物技术推动塑料中聚对苯二甲酸乙二酯绿色降解的研究进展

聚对苯二甲酸乙二酯(PET)因其耐用、可塑性强、安全性好等特点而广泛应用于食品包装和服装产业等领域,同时由于疏水性强、结晶度高等原因难以被微生物或酶降解利用,造成PET废弃物的不断积累,带来严重的环境和社会问题。部分高质量的PET净片可以再用到食品包装中,但绝大多数废弃PET通过常规的机械回收方法被降级利用,不能做到绿色高效回收。因此,解决“白色污染”,探索安全高效的生物降解方法成为急需攻克的重大研究课题。本文以石油基塑料的现状为背景,以PET的生物降解为切入点,综述了PET的生物降解研究现状,以宏基因组学、蛋白质组学为基础,重点总结了微生物和新酶基因的挖掘方法,并通过结构分析,以追溯不同来源的PET降解酶特性,利用定向改造和智能计算策略提高酶特性以及PET的降解效率。在改造降解酶的同时,探索对PET原材料的可降解性改良,提出了“双向改造”的思想。塑料降解酶新酶挖掘与工程改造、多酶催化体系开发以及塑料的可持续性能的改良等领域将成为塑料绿色降解的主流趋势,其为探索PET高效生物降解提供了新思路。

基于磷脂酶水解圈定向筛选高效聚对苯二甲酸乙二醇酯降解酶

【目的】目前自然环境中聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)废弃物的积累严重威胁生态健康,因此PET的降解问题已成为全球性的热点问题。生物酶法降解PET技术以其绿色环保而备受关注,但天然PET降解酶的催化活性普遍偏低,亟待进一步定向改造。现阶段定向进化为快速提高PET降解酶催化性能提供了可能,其中筛选方法是成功获得高性能突变体的关键所在。本研究旨在提出一种新型高效灵敏的筛选方法并应用于褐色喜热裂孢菌(Thermobifida fusca)来源角质酶Tfu-0883的定向改造,以期快速获得PET降解活性提高的突变体。【方法】基于易错PCR构建突变体文库,涂布于卵黄磷脂平板,以水解圈的大小作为筛选指标获得PET降解活性提高的突变体;对突变体进行酶学定性并筛选出潜在的分子改造位点,最终获得高性能突变体。【结果】从卵黄磷脂平板中挑取水解圈直径最大的单菌落,即突变体H10(N2D/D94H/A149E),其PET降解能力是野生型的1.5倍,最适温度与pH分别为60℃和8.0。突变体H10中第2位和第149位氨基酸残基远离底物结合凹槽,其突变会导致酶蛋白稳定性下降;第94位氨基酸残基则位于底物结合凹槽附近,由负电荷氨基酸Asp突变为正电荷氨基酸His,有利于吸附在带负电荷的PET表面,是突变体H10降解能力提升的关键因素;随后将野生型的第94位氨基酸残基Asp分别突变为His及同为正电荷且空间位阻更小的Lys和Arg,突变体D94H、D94K和D94R对PET降解能力均有提升,其中,突变体D94K降解PET能力是野生型的3.6倍。【结论】本研究基于磷脂酶水解圈构建了一种新的PET降解酶定向筛选方法,以此获得了降解活性提高的突变体,并证实角质酶Tfu-0883第94位氨基酸残基位点具有提升其PET降解活性的潜在能力。

一株嗜热聚对苯二甲酸乙二醇酯降解菌的分离及其降解特性解析

【目的】大量聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)塑料作为废弃物被丢弃,严重危害生态健康。针对嗜热PET降解菌缺乏这一情况,本研究旨在获得能够降解PET的嗜热菌,并阐述其降解机制。【方法】采集云南腾冲热泉中的废弃PET瓶,分析其表面生物膜的微生物群落多样性,从中筛选能够以PET为营养源生长的嗜热菌,并基于16S rRNA基因序列加以鉴定;以菌株的定殖能力与生长曲线为指标,优选出降解能力较强的降解菌,并测定其最适pH、温度和NaCl浓度;降解能力较强的降解菌分别作用于PET及PET中间体双(羟乙基)对苯二甲酸酯[bis(hydroxyethyl)terephthalate,BHET]和对苯二甲酸单(2-羟乙基)酯[mono(2-hydroxyethyl)terephthalate,MHET],测定产物生成量与降解率;通过观察PET膜表面微观结构、活菌数、酯酶活性等探究降解菌与PET的互作过程。【结果】废弃PET瓶表面生物膜中的微生物群落多样性低;从生物膜中筛选出5株能够以PET为营养源生长的嗜热菌;其中,菌株JQ3以PET为唯一碳源生长最佳,作为降解能力较强的降解菌,被鉴定为嗜热淀粉芽孢杆菌(Bacillus thermoamylovorans),其最适生长pH为7.0、最适生长温度为50℃、最适生长NaCl浓度为0.5%;菌株JQ3以0.043 mg PET/d的速率降解PET,对苯二甲酸(terephthalic acid,TPA)产量在第7天达到峰值45.2 mmol/L;菌株JQ3对PET中间体降解效率显著,6 h可降解85.9%的BHET,60 h可降解50.1%的MHET。菌株JQ3能够定殖于PET表面并形成生物膜,侵蚀PET并造成开裂和剥落。【结论】B.thermoamylovorans JQ3作为一株嗜热PET降解菌,能够高温(60℃)降解PET及其中间体,为实现PET的有效降解提供了新策略。

离子液体催化聚对苯二甲酸乙二醇酯降解研究进展

离子液体作为绿色介质,由于具有均相催化的特点,在催化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)降解方面表现出优异的性能.近年来,本课题组开发了多个系列离子液体催化剂用于PET醇解.本文总结评述了本课题组及其他团队对于离子液体催化剂的研究进展,主要介绍了PET醇解催化剂,兼顾PET水解与胺解离子液体催化剂.详细阐述了催化剂及反应条件对转化率与收率的影响,总结了PET醇解动力学,并比较了不同离子液体催化剂的醇解活化能,同时归纳了离子液体催化剂的作用机理,以期为开发高效PET降解催化剂提供理论基础.

聚对苯二甲酸乙二醇酯降解酶的研究进展

聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)因其良好的耐用性和可塑性,已在世界范围内的工业领域和日常生活中得到广泛应用。目前自然环境中大量PET使用废弃物的积累和迁移给全球生态系统带来了严重负担,因此PET的降解问题已成为全球性的热点问题。微生物酶降解法目前被认为是一种理想绿色PET降解方法,有希望应用于大规模降解PET废弃物降解处理。传统的PET降解酶主要包括脂肪酶、酯酶和角质酶等,但这些酶的PET降解活性相对不高。近期科学家从Ideonella sakaiensis细菌中分离了一种新型水解酶PETase,能够特异性高效降解PET。本文从结构生物学角度对多种PET降解酶进行梳理,重点总结了新近发现的PETase催化机制,为发展改造更有效的PET降解酶提供理论依据。