微生物合成高聚物研究进展 - 科技前沿

微生物合成高聚物研究进展    □张增民  徐军
    □张增民  徐军    由于人们对环境保护意识的日益加强，随之而来对生物降解塑料
    由于人们对环境保护意识的日益加强，随之而来对生物降解塑料的需求也越来越大。因此，生物降解塑料的市场前景十分乐。    一、微生物合成高聚物的特点
    一、微生物合成高聚物的特点    与传统的化学合成高分子材料相比，微生物合成高分子材料主要
    与传统的化学合成高分子材料相比，微生物合成高分子材料主要具有以下特点：    1工艺操作方法简单，只要有必需的发酵罐，而微生物在罐内的
    1工艺操作方法简单，只要有必需的发酵罐，而微生物在罐内的培养液(一般为葡萄糖等物质)中生长，在此过程中微生物体内会积累高分子物质。先把湿细胞冰干，将细胞破壁后，再用萃取或酶降解方法把高分子材料提纯分离出来。    2合成中几乎没有环境污染，因此有人称这种方法为环境友好的
    2合成中几乎没有环境污染，因此有人称这种方法为环境友好的高分子材料合成方法。    3合成的高分子材料具有生物可降解性和生物相容性，且这种可
    3合成的高分子材料具有生物可降解性和生物相容性，且这种可降解性是完全彻底的，即在废弃后，经过其他微生物的作用，可以100％地分解为CO2和H2O。因此，这种材料将有利于消除环境污染，而生物相容性又为它在医学领域的应用开辟了广阔的前景。    4可进行高分子材料的结构调控。即可通过控制微生物合成高分
    4可进行高分子材料的结构调控。即可通过控制微生物合成高分子材料时的环境条件，来制备不同结构的高分子材料。    微生物合成高分子材料中，最典型的是聚羟基脂肪酸酯(PHAs)，
    微生物合成高分子材料中，最典型的是聚羟基脂肪酸酯(PHAs)，它是一族高分子材料，其中有代表性的是聚羟基丁酸酯(PHB) 和聚羟基戊酸酯(PHV)。    目前已发现有大约300多种微生物可以合成PHAs，而不同的微生
    目前已发现有大约300多种微生物可以合成PHAs，而不同的微生物可合成结构不同的PHAs。据报道，不同结构单体单元数目已超过90种。对同一种微生物，则由于培养条件不同，又可以获得不同结构的PHAs。由此可见，微生物合成高分子材料的结构可以有很大的变化，这就为我们采用微生物来装配高分子材料，进行高分子的材料设计提供了广阔的余地。    二、PHAs的结构、性能及改性
    二、PHAs的结构、性能及改性    1.结构和性能
    1.结构和性能    1PHAs可分为2种类型，短链PHAs，单体碳原子数为4～5，以 PHB
    1PHAs可分为2种类型，短链PHAs，单体碳原子数为4～5，以 PHB为代表;中长链PHAs，单体碳原子数为6～14。在大量的PHAs中含有各种功能基团，如烯基、支链烷基、卤素、酚及氰基等。因此，实际上可以获得一系列具有不同性能的高分子材料。目前研究得比较深入的是PHB和PHBV（羟基丁酸与羟基戊酸共聚酯）。    PHB现已工业化，是一种热塑性塑料，其某些力学性质与聚丙烯
    PHB现已工业化，是一种热塑性塑料，其某些力学性质与聚丙烯相似。由于PHB的化学结构简单规整，结晶度高达60％～80％，因而性脆，断裂伸长率很低。而且PHB在加热温度高于熔点(180℃)10℃时，就会裂解，故PHB加工困难，而PHBV 的物理和加工性能则大大提高，该共聚物的结晶度比纯PHB的低，因此韧性增加，但强度和硬度下降。PHBV的熔点随着HV单体单元含量的提高而下降，这样就使熔点与分解温度的差值增加，从而改善了加工性能。    2PHAs的降解性能  PHAs与其他聚合物具有相似的力学性能，且
    2PHAs的降解性能  PHAs与其他聚合物具有相似的力学性能，且它具有环境下的完全可降解性。目前PHAs的降解环境主要有4种，即热解、中性水解( 包括利用土壤或海水中的微生物水解及自然环境下的降解)、酶解、酸性或碱性水解。其中酶解的研究最多，现已知有数十种菌种，可以生产各种酶对PHAs进行降解。在自然环境下PHAs很容易降解。例如，将PHB置于活性污泥中，经过28天后，按失重计算，已减少近80％。但如果是共混材料，降解速度则相对降低。当PHB 与不同的材料共混填充后，可以获得不同的降解速率，以满足医学上的不同要求。    2.改性
    2.改性    主要有物理和化学改性。通过改性可以改善PHB(或PHBV) 的加工
    主要有物理和化学改性。通过改性可以改善PHB(或PHBV) 的加工和使用性能。    1物理改性  把PHA和其他高聚物共混，可以改善其性能。而报道
    1物理改性  把PHA和其他高聚物共混，可以改善其性能。而报道的共混体系中绝大多数是PHB和其他高聚物的共混物，如无规聚丙烯酸甲酯、聚L-乳酸、聚乙烯基苯酚、高度取代纤维素酯、聚乙烯醇、聚D，L‘乳酸、聚醋酸乙烯酯、聚甲醛、乙酸纤维素、乙酸淀粉、聚琥珀酸乙烯酯、化学合成的聚3羟基丙酸、 α‘甲壳质及脱乙酰甲壳质等。共混物的相容性取决于是否存在分子间特殊相互作用。    为了提高PHB和PHBV的结晶速率，BN成核剂有比较好的作用效果。
    为了提高PHB和PHBV的结晶速率，BN成核剂有比较好的作用效果。    2化学改性  方法也比较多。MITOMO H等从Co-60 γ-射线源采用
    2化学改性  方法也比较多。MITOMO H等从Co-60 γ-射线源采用同步辐射和预照射技术，把甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸2-羟乙酯、苯乙烯、丙烯酸接枝到PHB和HB与HV的共聚物上。Hirt T.D. 等通过酯交换在半制备水平上从高分子量聚合物制备了遥爪端羟基PHB和 HB与HV的共聚物。Yuan Y.M.和Ruckenstein E.研究了聚双酚 A 羟基醚和PHB的酯交换反应。Immirzi B. 等在加入过氧化二异丙苯情况下，在氯苯中使聚ε-己内酯和PHB共混。把少量的聚苯乙烯接枝到PHB 及其HB与HV共聚物上可以提高其热稳定性。    三、PHAs的功能及应用
    三、PHAs的功能及应用    PHAs是细菌胞内的一种碳源和能源的储备物，它对于细菌适应外
    PHAs是细菌胞内的一种碳源和能源的储备物，它对于细菌适应外界环境的变化及生存具有重要的意义。    PHAs是一类从硬质塑料到柔软的弹性体的高分子材料，除具有一
    PHAs是一类从硬质塑料到柔软的弹性体的高分子材料，除具有一般的高分子材料性能外，还具有一些特殊的性能，如生物可降解性、生物相容性、光学活性及生物过程中可利用再生原料等性能。因此在包装、医学及光学等领域具有应用前景。另外，随着新结构PHAs的合成和对PHAs功能的开发，预计会发现更多的应用领域，如非线性光学材料等。    PHB主要用于吹塑瓶子、薄膜、一次性刀架、无纺布(制做妇女的
    PHB主要用于吹塑瓶子、薄膜、一次性刀架、无纺布(制做妇女的卫生用品和一次性尿布)及医用材料(如药物缓释的包覆材料、软骨材料和代用骨材料等)。    现在世界上已有两个大公司生产PHB和PHBV。其中英国Zeneca 公
    现在世界上已有两个大公司生产PHB和PHBV。其中英国Zeneca 公司是目前世界上最大的生产商，1996～1997年已扩建了生产装置，可达到0.5～1.0万t/a的能力，生产牌号为Biopol。另一家为奥地利的林茨化学集团，产量为每周1吨。    我国在微生物发酵制备PHB的研究方面，也取得了突破性的进展。
    我国在微生物发酵制备PHB的研究方面，也取得了突破性的进展。目前已有不少单位完成了小试生产。有些单位，如中科院微生物所、清华大学生物系和化工系均已有批量生产技术。但在PHB的提纯方面，目前尚未达到应用水平。而微生物制备PHB或PHBV的价格偏高，是限制其大量应用的一个主要原因。    四、PHAs的组装和结构调控
    四、PHAs的组装和结构调控    1-共聚
    1-共聚    对PHB、PHBV及中长链PHAs物理性能的研究使人们预测，一个以
    对PHB、PHBV及中长链PHAs物理性能的研究使人们预测，一个以HB单体为主要成分，含有一些少量中长链HA单体的共聚PHAs可使其熔点及玻璃化温度下降不多的同时，其韧度和弹性有很大提高。目前，获得这些共聚物的方法主要依靠发现新的菌种。Hideki Abe  等在研究用Aeromonas caviae菌合成PHAs时发现，这种菌在培养底物是长链偶数碳脂肪酸时，最后得到的PHA为HB(C4单体)和HHx(C6单体)的共聚物；而在长链奇数碳脂肪酸上培养时发现，最后得到的PHAs为 HB 和HV(C5单体)的共聚物。Rhodococcus ruber菌以己酸为碳源时合成含3-HB、3HV、3HH和3HHx单体的共聚物。两株Aeromonas sp.菌能以碳原子数多于12的脂肪酸为底物合成3HB-和3HHx 的共聚物，严格厌氧的Sytrophomonas wolfei菌能从各种六碳脂肪族化合物合成3HB与 3HHx的共聚物。 Doi实验室从土壤中分离的Pseudomonas sp.61-3 菌能以葡萄糖等糖类及葡萄糖酸盐和脂肪酸为碳源合成含C4-C12偶数碳原子单体的脂肪酸酯共聚物。Pseudomonas sp.A33菌和其他一些好氧细菌能在限氧条件下以3-羟丁酸或1，3‘二羟基丁烯合成3HB 及各种中长链3HA的复杂共聚物。Comomomas testosteroni,Bacillus cereus 菌以及另一未知菌在己酸和辛酸生长时能合成3HB与HC(羟基己酸)和HO(羟基辛酸)的共聚物。    2.官能化
    2.官能化    如果在PHAs的纯碳链结构中引入不饱和链或一些极性官能团，则
    如果在PHAs的纯碳链结构中引入不饱和链或一些极性官能团，则不但可以获得某些新性质，而且还可对这种PHAs进行化学改性，以改进PHAs的性能并扩大其应用范围。如氟原子的引入有可能提高PHAs的绝缘性能，降低材料的表面张力，使PHAs有较高润滑性、耐热和耐油性。带有超极化侧基氰基和硝基苯氧基的新型PHAs将是第一代有非线性光学应用前景的手性聚合物。    目前已发现能够合成中长链PHAs的假单胞菌，还可以利用各种带
    目前已发现能够合成中长链PHAs的假单胞菌，还可以利用各种带官能团的物质为碳原，在中长链PHAs的长侧链上引入各种官能团，如烯基、氰基、苯氧基、卤素等。    由上述研究可以看出，微生物的生物合成能力是令人吃惊的，随
    由上述研究可以看出，微生物的生物合成能力是令人吃惊的，随着生物技术的不断发展，越来越多的含有各种官能团的新型PHAs可能会被微生物合成出来，生物聚酯作为高附加值功能性材料的商业化应用前景是十分乐观的。    3．结构设计
    3．结构设计    上面已经提过利用不同的菌种可以制得不同结构的PHAs。而对同
    上面已经提过利用不同的菌种可以制得不同结构的PHAs。而对同一菌种，改变碳源种类或比例也可以制得不同单体单元结构和组成的PHAs。另外，碳源浓度对共聚物组成也可能有影响。    此外，改变培养条件，可以调节PHAs的组成。在通空气或氢氧混
    此外，改变培养条件，可以调节PHAs的组成。在通空气或氢氧混合气（H2∶O2=80∶20)两种情况下，Alcaligenes eutrophus 菌以戊酸或丙酸为碳源时，可合成HB和HV的共聚物。在氢气存在下，倾向于合成PHV。若把通气从氢氧混合气切换到空气，再切换回氢氧混合气，结果可合成嵌段PHA或核壳组成不同的聚合物颗粒。通气速率对合成PHB的分子量有很大影响。    据报道，加入对代谢有影响的控制物，可以有效地调控PHAs的结
    据报道，加入对代谢有影响的控制物，可以有效地调控PHAs的结构。