中国科学院微生物研究所、中国微生物学会主办
文章信息
- 周杰, 苏田源, 姜岷, 祁庆生
- ZHOU Jie, SU Tianyuan, JIANG Min, QI Qingsheng
- 塑料的生物降解与转化专刊序言
- Preface to the special issue: biotechnology of plastic waste degradation and valorization
- 生物工程学报, 2023, 39(5): 1861-1866
- Chinese Journal of Biotechnology, 2023, 39(5): 1861-1866
- 10.13345/j.cjb.230299
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文章历史
- Received: April 18, 2023
2. 山东大学 微生物技术国家重点实验室, 山东 青岛 266273
2. State Key Laboratory of Microbial Technology, Shandong University, Qingdao 266273, Shandong, China
合成塑料是由单体原料通过加聚或缩聚而成的高分子材料,其种类繁多、结构多样,目前主流的合成塑料包括聚苯乙烯(polystyrene, PS)、聚乙烯(polyethylene, PE)、聚丙烯(polypropylene, PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)、聚氨酯(polyurethane, PUR)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(poly(butylene adipate-co-terephthalate),PBAT)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)等石油基塑料。塑料工业是国民经济的支柱产业,广泛应用于国民经济各领域,为人类社会的进步和人民生活水平的提高奠定了坚实的物质基础。然而,不规范生产、使用塑料制品和堆放塑料废弃物等问题,造成塑料在环境中长期累积,导致了严重的环境污染和资源浪费。最新研究数据表明,从1950至2021年全球共产生87亿t的塑料废弃物,其中只有约11%被回收利用。在2019年所产生的3.53亿t塑料垃圾中,超过2/3被填埋或焚烧,22% (约7 900万t)被丢弃到环境中[1]。随着全球塑料循环体系的变革升级,实现塑料的回收循环利用不仅可以减少塑料在生命周期中的碳排放,还可以解决废塑料潜在的生态环境危害。生物降解是实现废塑料污染治理与资源化的新途径,已成为国内外废弃塑料处置研究的热点,应用潜力巨大。
近年来,在塑料降解微生物/酶资源的分离、筛选、鉴定以及对其进行工程化改造等方面取得了重要突破。鉴于此,《生物工程学报》邀请祁庆生教授和姜岷教授为特邀主编,组织出版了“塑料的生物降解与转化”专刊,邀请了来自国内外多家单位的专家学者,从不同方向和视角集中展示了相关领域的最新研究进展。专刊围绕这一主题,汇集了16篇文章[2-17],其中包括发展规划研究1篇、评论1篇、综述7篇、研究论文7篇。中国科学院成都文献情报中心的陈方和丁陈君团队通过比较美国、欧洲、德国、日本与我国塑料降解与回收的相关战略,对该领域的文献与专利展开计量分析,从循环生物经济角度探讨了我国塑料降解回收发展面临的机会与挑战,提出了政策体系、技术路径、产业发展与公众认知四位一体的未来发展建议[2]。同时,学者们围绕着PET、PUR、聚乳酸(polylactic acid, PLA)、PE等塑料的生物降解资源发掘、塑料解聚酶的设计与改造、塑料降解物的生物高值转化3个方面进行了梳理和总结[3-17],旨在及时全面地反映该领域的发展动态和最新研究成果,促进塑料生物降解与转化研究的进一步发展。
1 塑料生物降解资源的发掘塑料的生物降解具有条件温和、应用潜力巨大的特点,塑料降解微生物和酶资源的挖掘以及新技术的开发方兴未艾。塑料生物降解技术的核心是高效解聚微生物/酶,然而当前的分析检测方法无法满足塑料生物降解资源的高效筛选,因此开发准确、快速的塑料降解过程分析方法,对于生物降解资源筛选和降解效能评价具有重要意义。南京工业大学陈小强团队对塑料生物降解检测方法进行了总结和梳理,全面介绍了目前塑料生物降解的检测与表征的原理方法,以及这些检测分析方法在塑料降解微生物/酶筛选方面的应用进展,并重点讨论了荧光分析策略在快速表征塑料生物降解过程中的应用,为进一步规范塑料生物降解过程的表征与分析研究,以及开发更高效的塑料生物降解资源筛选方法提供借鉴[3]。随着我国塑料污染治理政策的不断深入,生物可降解塑料产业得到快速发展,PLA塑料作为生物基可降解塑料中的典型代表,发展潜力巨大。然而公众对生物基塑料的认识仍存在诸多误解,培养公众正确的绿色环保意识十分重要,不能因为使用可降解塑料制品而形成随意丢弃的习惯。南京工业大学姜岷团队对PLA塑料的性质,以及PLA塑料微生物与酶法降解的研究进行了回顾与总结,探讨了PLA的生物降解机制,并提出了微生物原位处理和酶法闭环回收两种PLA塑料废弃物生物处置方法,为正确认识和提前布局研究生物基可降解塑料的环境效应与废弃物的回收利用提供借鉴[4]。
以C−C键为骨架的聚烯烃塑料是全球通用合成树脂中产量最丰富的品种,占据了全球塑料制品的77%,主要包括PE、PS、PP和PVC。山东大学祁庆生团队和南京农业大学曹慧团队全面梳理了聚烯烃塑料生物降解资源及生物降解机制的研究进展,提出了目前聚烯烃类塑料生物降解过程存在的问题及聚烯烃塑料生物降解的进一步研究方向[5-6]。PUR塑料是由不同类型的多元醇和异氰酸酯聚合而成,根据多元醇类型可大致将PUR分为聚酯型和聚醚型两类,占全球塑料制品的4%,2020年仅中国就生产了1 470万t,消费1 175万t。南京农业大学崔中利团队和闫新团队分别从垃圾填埋场的土壤样品中分离鉴定了PUR塑料降解菌拟无枝杆菌属(Amycolatopsis sp.) G-11和高地芽孢杆菌(Bacillus altitudinis) YX8-1,通过对菌株降解PUR的性能表征并鉴定了关键降解产物,丰富了PUR废弃物的生物降解菌株资源[7-8]。
2 塑料解聚酶的设计与改造近年来,利用生物技术对塑料废弃物进行回收利用已成为一个蓬勃发展的研究领域,许多研究人员针对PET、PBAT等聚酯塑料解聚酶开展了基因挖掘、功能表征、结构解析,以及酶设计与改造等研究工作,获得了一系列具有潜在应用价值的高效塑料解聚酶,为塑料的生物降解机制研究提供了参考范例。来自山东大学的李盛英和刘琨团队对不同微生物来源的PET水解酶及其PET降解能力,IsPETase降解PET的催化机理进行了综述,并总结了近年来通过酶工程改造而获得的高效PET降解酶,为未来的PET降解机制研究、PET高效降解酶的进一步挖掘和改造提供参考[9]。来自德国亚琛工业大学生物技术研究所的Ulrich Schwaneberg教授和季宇团队对发表在Chem Catalysis期刊上的一项工作进行了评述[10],在文中通过中英文对照的方式介绍了采用塑料结合模块促进PET塑料酶法解聚的机制与应用潜力,为进一步实现PET或其他种类的聚酯塑料在高底物负载量条件下的高效酶法解聚提供了指导。
角质酶(cutinase, EC 3.1.1.74)在PET、PBAT等聚酯塑料的酶法解聚中发挥着重要的作用,来自江南大学吴敬团队研究了5种不同来源的角质酶对PBAT的解聚性能,并考察了不同己二酸-丁二醇酯(butylene adipate, BA)含量对PBAT解聚效率影响,并对酶解聚条件进行了优化,获得了最佳的PBAT酶解体系[11]。对苯二甲酸双(羟乙基)酯(bishydroxyethyl terephthalate, BHET)是PET生物酶解的中间产物,其过量累积将抑制PET水解酶的催化活性。河南科技大学侯颖和中国科学院天津工业生物技术研究所刘卫东从嗜热氢化杆菌中挖掘到一个新型的双烯内酯酶(HtBHETase)基因,对其进行了异源重组表达、纯化以及酶学性质研究,对该酶水解BHET的能力进行了评价[12]。齐鲁工业大学孙登岳和曾志雄团队从浅黄糖丝菌中克隆到一个BHET水解酶基因sle,经在大肠杆菌中重组表达纯化,对其酶学性质及降解特性进行了研究[13]。中国科学院天津工业生物技术研究所韩旭和高健团队对来自海洋微生物宏基因组的中温塑料降解酶Ple629进行了理性设计,突变体D226C/S281C的融解温度(Tm值)比野生型提高6.9 ℃,催化活性提高了1.5倍[14],上述工作为塑料的酶法解聚提供了新的酶资源。
3 塑料降解物的生物高值转化面对日益加剧的塑料污染问题,在合成塑料降解资源的挖掘及关键解聚酶的设计与改造基础上,融入生物合成的思路,通过微生物将塑料降解物生物转化为生物可降解塑料及其他具有高附加值的化合物,如生物基塑料单体等,是实现废塑料循环利用的一个重要途径。清华大学陈国强和刘絮团队综述了目前塑料降解并生产聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates, PHA)的最新研究进展,并对PHA的性质与合成改性进行了总结与展望[15]。二元羧酸是生物可降解塑料的重要单体之一,可降解性强,应用广泛。江南大学邓禹团队总结了几种比较有代表性二元羧酸的生物合成途径以及其代谢改造手段,为中长链等复杂二元羧酸的生物法合成提供借鉴[16]。5-氨基戊酸(5-aminovalanoic acid, 5AVA)可作为新型塑料尼龙5和尼龙56的前体,是合成聚酰亚胺的重要平台化合物。重庆大学王丹团队在大肠杆菌中构建了5AVA的人工合成路线,结合补料分批生物转化策略,在不添加乙醇和H2O2的条件下,5AVA的产量可达57.52 g/L,摩尔得率为0.62 mol/mol,为生物基塑料单体的发酵合成提供了新的策略[17]。
4 结语国家发展和改革委员会与生态环境部联合印发《“十四五”塑料污染治理行动方案》,明确“加快推广应用废塑料再生利用先进适用技术装备,鼓励塑料废弃物同级化、高附加值利用”。塑料生物解聚与高值化技术条件温和、副产物少、绿色环保,是废弃塑料同级、升级利用的最理想手段,国内外纷纷加大了对于废塑料生物降解与资源化利用的研究力度,积极探索建立以工业生物技术为基础的“生物解聚→生物降解→生物高值转化”塑料生物循环经济路线。感谢《生物工程学报》编辑部的提议,我们邀请到众多高校和科研院所相关研究领域的专家,采用评论、综述、研究论文等多种形式,将近些年在“塑料的生物降解与转化”方向的部分研究成果与研究进展汇集成册,出版了这期专刊,希望能为塑料的生物降解与转化研究提供一定的参考和借鉴。由于水平有限,专刊中的失误和不足在所难免,敬请各位读者和专家不吝指正。
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