PHAMCL的微生物合成及生物降解材料的生物降解性能研究

摘要

传统塑料大多来源于石油,在自然界中难以降解。由此引起的石油危机和环境污染,迫使人们研究开发生物降解材料——可在自然界被微生物分解的高分子材料。聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一种可替代传统塑料的微生物合成聚酯,本文研究了新型中长链PHA(PHAMCL)的微生物合成;对共混法制备的新型生物降解材料进行了降解性能研究:同时,为了评价材料的生物降解性能,提出了环境降解参数的概念并建立了相应的检测方法;并且,基于ISO14852国际标准,建立了采用混合降解菌群快速检测生物降解材料降解性能的方法。
　　 本研究从土壤中分离到一株PHAMCL合成菌,采用16S rRNA序列分析和BIOLOG微生物分类鉴定系统对其进行了分类鉴定,命名为门多萨假单胞菌NK-01(Pseudomonas mendocina NK-01)。利用FT-IR,NMR,GC-MS,DSC,TG,X-ray等技术对发酵合成的PHAMCL的性质进行了研究。结果表明PHAMCL是一种具有高度粘弹性的聚合物;由五种不同碳数的单体组成,即:3-羟基己酸、3-羟基辛酸、3-羟基癸酸、△7-3-羟基十六烷酸和3-羟基十八烷酸。
　　 对P.mendocina NK-01的PHA合酶基因进行了研究,克隆了PHA合酶基因phaC1和phaC2,分别在E.coli JM109中进行了表达。结果表明phaC1和phaC2具有底物专一性。phaC1重组菌E.coli JM109(pBS-PM01)能够利用辛酸或癸酸积累单体成分主要为3-羟基辛酸的PHAMCL;而phaC2重组菌E.coli JM109(pBS-PM02)能够利用辛酸、癸酸或十四碳酸积累单体成分主要为3-羟基十四碳酸的PHAMCL。同源性分析表明P.mendocina NK-01 phaC1和phaC2相似程度为67.56％。
　　 利用共混法制备生物降解材料也被研究了。本研究制备了PPC/PHBV、PPC/PLA和PLA/PPC/PHBV三种共混材料,旨在改善新型生物降解材料PPC的生物降解性和物理学性能。借助于DSC、TG和拉伸力学实验对共混材料的热力学性能和组分相容性进行了研究;通过土壤悬浊拟环境降解实验和拟生理环境降解实验对材料的降解性能进行了研究;采用NMR、SEM和GPC对材料降解前后的结构和分子量变化进行了研究。探讨了共混材料的降解机制。研究发现,PPC/PHBV是非相容的共混体系,PPC/PLA和PLA/PPC/PHBV为部分相容的共混体系。由于缺乏降解菌,PPC在自然环境中降解缓慢,但是其在PBS缓冲液中降解速率相对较快,无定型态的特点使其在降解过程中主要发生链的随机断裂,导致PPC的降解和分子量的下降。另外,在上述共混物体系中的各组分优势互补,PHBV赋予共混物优良的生物降解性能,PLA为共混物赋予较高的模量和拉伸强度,PPC赋予共混物较高的韧性和断裂伸长率。共混材料PLA/PPC/PHBV(40/40/20,20/40/40)各组分间相互作用表现出了优异的材料物性和降解性。
　　 为了改善生物降解材料降解性能评价方法耗时长和重复性差的现状,本研究建立了一种利用混合降解菌群快速检测材料生物降解性能的方法。从土壤、活性污泥、河水等自然环境中分离各类不同生物降解材料的降解菌216株;采用平行降解实验法筛选出各类降解材料强降解菌20株,组成混合降解菌群;参照ISO14852的方法,设计该方法的检测装置,并对14种生物降解材料进行了降解性能检测。结果表明,该方法能够缩短检测时间,检测结果重复性好。
　　 另外,本研究首次提出了生物降解材料环境降解参数(EdK)概念,建立了相应的检测方法。通过规定参比材料,完善检测条件,参照ISO14852的检测程序,推导出了Ed的计算公式,计算出了15种生物降解材料的EdK值,实现以环境降解参数量化表征生物降解材料的环境降解性能。