塑料是人類偉大的發(fā)明，它在可塑性、耐用性和化學(xué)穩(wěn)定性等方面都令傳統(tǒng)材料望塵莫及。因此，它們被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域，可謂無(wú)處不在、無(wú)時(shí)不有。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界每年的塑料產(chǎn)量約達(dá)4億噸，然而這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人類的胃口。
塑料制品的大量生產(chǎn)和利用后，隨之而來(lái)的就是源源不斷的環(huán)境污染問(wèn)題。研究表明，70%左右的塑料制品會(huì)因?yàn)楦鞣N原因進(jìn)入到自然環(huán)境中，僅中國(guó)每年就產(chǎn)生7000多萬(wàn)噸塑料垃圾。然而，由于塑料的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，自然環(huán)境下難以分解，會(huì)造成長(zhǎng)期的深層次的生態(tài)問(wèn)題。微塑料(microplastics)污染就是其中之一。
海洋中的PM2.5
陸地上的塑料垃圾暴露在陽(yáng)光和空氣中，會(huì)逐漸變質(zhì)并分裂為微小的碎片和顆粒?？茖W(xué)家把其中直徑小于5mm的碎片和顆粒定義為“微塑料”。微塑料的另一個(gè)來(lái)源是工業(yè)原料以及洗化用品中使用的塑料微珠。這些次生微塑料和初生微塑料組成了漂流大軍，浩浩蕩蕩地朝大海進(jìn)發(fā)。
微塑料在數(shù)量級(jí)上和一些動(dòng)物的食物相似，所以極易被魚(yú)鳥(niǎo)等生物吞食。微塑料不僅會(huì)對(duì)動(dòng)物消化系統(tǒng)造成嚴(yán)重的物理傷害，更可怕的是它還能吸附并釋放水體中的重金屬、有機(jī)廢物和致病微生物，致使這些動(dòng)物發(fā)生病變甚至死亡。而隨著食物鏈從低營(yíng)養(yǎng)級(jí)向高營(yíng)養(yǎng)級(jí)流動(dòng)，微塑料最終會(huì)出現(xiàn)在人類的餐桌上。
聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)就是最主要的塑料之一，由于具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能，被大量應(yīng)用于紡織纖維、包裝材料和飲料瓶的生產(chǎn)制造。因?yàn)镻ET制品使用后產(chǎn)生的廢品量巨大，并且難以自然分解，所以PET廢棄物的有效降解已成為當(dāng)今人類社會(huì)急需解決的問(wèn)題之一。
高溫是PET生物降解的助推器
與熱裂解等條件劇烈的方法相比，PET生物降解法具有反應(yīng)溫和、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。目前，已經(jīng)有一系列具有降解活性的酶得到分離鑒定。微生物酶對(duì)低結(jié)晶PET的降解有見(jiàn)報(bào)道，但在高結(jié)晶PET的降解上依然存在瓶頸。
研究表明，當(dāng)溫度接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(約70 )時(shí)，聚酯鏈的波動(dòng)性會(huì)增加，能夠提高酶對(duì)底物的可及性，從而提高PET的降解效率。因此，科研人員提出需要開(kāi)發(fā)高溫生物催化的PET降解技術(shù)。雖然目前已有嗜熱PET降解酶的相關(guān)報(bào)道，但嗜熱底盤細(xì)胞的缺乏限制了高溫生物催化技術(shù)的開(kāi)發(fā)。
寶劍配英雄
中科院青島生物能源與過(guò)程研究所代謝物組學(xué)研究組科研人員最近發(fā)表了全新嗜熱全菌催化PET塑料降解策略。這是一種高效的全菌催化技術(shù)，有望應(yīng)用于未來(lái)大規(guī)模的PET廢棄物降解。
熱纖梭菌是一種典型的嗜熱細(xì)菌。研究人員前期已成功建立了成熟的基因操作平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)熱纖梭菌的任意遺傳改造，從而定向打造高效的全菌催化劑。目前，研究人員已經(jīng)將基于熱纖梭菌的全菌催化技術(shù)成功應(yīng)用于木質(zhì)纖維素的生物轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，建立了新型的整合生物糖化技術(shù)。
在此基礎(chǔ)上，研究人員以熱纖梭菌作為底盤細(xì)胞，將來(lái)自枝葉堆肥元基因組的嗜熱角質(zhì)酶LCC在熱纖梭菌中進(jìn)行異源表達(dá)，從而成功建立了具有PET降解功能的嗜熱全菌催化劑(圖1)。該全菌催化劑可以在60 條件下，14天內(nèi)成功將60%的商業(yè)化PET塑料薄片轉(zhuǎn)化為可溶性單體。
熱纖梭菌就是借助LCC這把利劍，切斷堅(jiān)韌的聚酯鏈，將PET薄膜戳得千創(chuàng)百孔(圖2)。HPLC檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，大部分的PET被分解為乙二醇和對(duì)苯二甲酸等單體小分子物質(zhì)。這種基于熱纖梭菌重組菌株的全菌催化劑的PET降解性能，顯著高于之前報(bào)道的基于嗜中溫細(xì)菌和微藻的全菌催化體系。
研究人員指出，熱纖梭菌可以通過(guò)合成纖維小體高效降解木質(zhì)纖維素，是一種天然的纖維素降解菌株。因此，基于熱纖梭菌的全菌催化策略還有望在含有纖維素和聚酯兩種組分的紡織混合品廢棄物的生物回收中發(fā)揮出巨大的應(yīng)用潛力。
圖1 LCC表達(dá)質(zhì)粒pHK-LCC構(gòu)建以及在熱纖梭菌中的活性表達(dá)及外泌
圖2 全菌催化劑孵育14天中PET薄膜表面形態(tài)變化
文章來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所
