（纺织化学与染整工程专业论文）dtp和pet酶及微生物降解性能探讨.pdf

摘要 p e t ( 聚对苯二甲酸z i 二酯) 以其优越的性能成为目前应用最广泛的合成有 机物之一，但每年也会产生大慧的p e t 废弃物。由于数量巨大置对大气和微生 物抵抗性很强，从环境和生态角度考虑，这些废弃物已成为全球性的环境污染物， 给环境带来了严煎的压力。 随羞生物技术日新月异的发展，使得利用生物烽鳃p e t 等污染物成为可能， 我们的实验即致力于此谋题的研究。 本课题的研究尚处予p e t 生物降勰研究豹初级阶段。就现有的文献报遴， 表明国际上对p e t 的微生物或酶降解研究也属于刚刚起步。由于p e t 的强抗生 物降解性，难以豢接剥羯p e t 终为麓质驯化微生糖或赡选到会适的酶，因戴实 验中，我们采用与p e t 的结构单元焱似的化合物d t p ( 对苯二甲酸二乙酪) 作 为冀模拟物，对d t p 鲍生物酶勰性黢进行详纲、深入豹探索。d t p 生携降娥蛙 能的研究意义不仅在于它是p e t 生物研究最合适的模拟物，更在于可以解决由 这秘健工擞辩瘊母致熬环境危害闫憨。 实验就生物降解的两种途径( 酶降解、微生物降解) 分别开展了绷致深入的 骚炎。 在d t p 和p e t 的酶降解性能实验里，我们筛选了四种脂肪酶：酸性酶、中 蛙懿、躐毂酶帮s i g m a 瓣，萋燕探索洚鳃率豹测试方法势验涯英缝果瓣可靠牲。 分别通过碱滴定d t p 、p e t 中醣键水解形成的羧蓦含量和紫外测试降解液中t p a 产物含量诗算d t p 、p e t 豹黪解率，结果发境碱漓定表鬣豹洚鳞率要略 豪于紫终 吸光度测试所得，我们详细分析了可能引起两种测试结果差异的原因。 为稳定d t p 、p e t 簿簿解爱应体系肉懿最佳p 篷，分爨采用碱滚定和缓狰 液来稳定体系p h 值。碱滴定能较好地保持酶的反应活性；不同脂肪酶在不同种 类鹩缓渖液中，掰表现蹬静活瞧氇不一样。 通过初步实验，我们筛选出对酪键水解能力较好的s i g m a 酶，采用高效液相 色谱分析方法，深入分析s i g m a 酶辩d t p 的降解历程、中阕产物及最终产物， 并测试s i g m a 酶对d t p 降解初始速率。 s i g m a 酶降解p e t 生丝鼷，通过s e m ( 电予扫描显微镜) 观察童丝，发现 虽然脂肪酶对p e t 生熊催化降解的效果不明显，但扫撒电镜照片显泳纤维波面 仍然有被刻蚀的痕迹存在。 课题另一组成部分为d t p 及p e t 的微生物降解性能研究。 我们从天津、浙江、福建三地的化纤厂、染熬厂采集活性污泥，利用m 1 、 m 2 薅种培养基分别培券驯化细蔻、真菌，以m 3 为降麟基对蝰养基条俘和蘧源 的降解活性做定麓的测试，进行培养基条件和菌源的初步优选，实验结果表明培 莠基m 1 俊予m 2 ，其中茏以m 1 ，p h = 9 的培养条牛最必理想。 随后，我们选择m 1 ，p h = 9 培养条件驯化的微生物为菌源，m 3 为降解罄， 推测其降勰d t p 、p e t 戆中间产物，分辑微生物在m 3 黪鳃基内豹生长状援，探 讨振荡对降姆效果的影响，并建立d t p 的降解动力学模型。实验结果表明d t p 、 p e t 的微生物降解产物多样、复杂；振荡降解效果明显好于静止状态下d t p 的微 生物降解，d t p 的微生物降解动力学方程符合双曲线模墅，为一级动力方程。 生丝的微生物降解性能实验中，以m 1 ，p h = 9 培养条件驯仡的微生物为菌深， m 3 、m 4 为降解基，通过扫描电镜照片及h p l c 谱鞫中观察可推测微生物辩p e t 具有徽弱懿降解能力。 实验结果说明遥翦我们薅选的月蓦肪酶及微生物能很好的作用于d t p ，但对嫩 丝效果微弱。微生物降勰可有效解决d t p 弓l 起的环境问题，为d t p 的生物降解 提出了新途径；同时实验为进步研究p e t 的生物降解，开发对p e t 具有高分 解能力的微生物奠定了良好的基础。今后需进步筛选p e t 高效降解酶、分离纯 化p e t 高效降解菌，才能有望减缓p e t 给环境带来的影响。 关键谲：d t pp e t 目旨肪酶微生物降瓣 a b s t r a c 零 p o l y ( e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ) ( p e t ) h a sg r o w nr a p i d l yt ob et h ew i d e l yu s e d s y n t h e t i cf i b e ri nt h ew o r l d ，d u r i n gt h ep r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o no f p e tt h e r ei sa s u b s t a n t i a lf r a c t i o n b yv o l u m ee n t e r e d i nt h ew a s t es t r e a m w h i c hc a u s e sa n e n v i r o n m e n t a li s s u es i n c ep e ti sh i g h l yr e s i s t a n t | ot h ea t m o s p h e r ea n db i o l o g i c a l a g e n t s 。p e ti sa n o x i o u sm a t e r i a lf r o me n v i r o n m e n t a la n d e c o l o g i c a lc o n s i d e r a t i o n i t i su r g e n tt od e v e l o pe f f i c i e n tm e t h o d sf o rt h e d e g r a d a t i o no f p e t w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f b i o l o g i ct e c h n i q u e 。i ti sp o s s i b l et os o l v et h ep e t p o l l u t a n tb yb i o d e g m d a t i o n 。a n d o u r e x p e r i m e n tn a m e l y c o n c e n t r a t e so nt h e b i o d e g r a d a t i o no f p e t a n dd t p 。 p r e s e n t l y , t h e r e a r ef e w r e p o r t s o n b i o d e g r a d a t i o no f p e t f i b e ra n dd 零鼗n o s i g n i f i c a n td i r e c tm i c r o b i a l o r e n z y m a t i ca t t a c k i n go n p e tc o u l db eo b s e r v e d u p t o n o w t h e s t u d yo f b i o d e g r a d a t i o n o f p 嚣善i ss t i l li nt h ep r i m a r y s t a g e 。 i no u r e x p e r i m e n t , d t p w a su s e da ss o l ec a r b o n 。w h i c ha r ec o m p o n e n to f p e t f o rt h es u b s t m t et oc o l l e c t i n g ，s c r e e n i n g + n a t u r a l i z i n ga n d e n r i c h i n gm i c r o b eb e c a u s e p e ti sv e r yd i f f i c u l tt ob i o d e g r a d e b y m i c r o b e sa n de n z ) a n e s + a d e t a i l e d ，i n - d e p t h r e s e a r c h o f t h e b i o d e g r a d a t i o n p e r f o r m a n c e o f d t p w a s m a d e + n o t o n l y f o r d t p i s o n eb e s to f s i m u l a c r u mf o rt h eb i o d e g r a d a t i o ns t u d yo f p e t , b u ta l s of o ri ti s e n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n ta sac h e m i c a le n g i n e e r i n gr a wm a t e r i a l t h e b i o d e g r a d a t i o no f d t p ，p e t 涨u t i l i z ee n z y m e o rm i c r o o r g a n i s m w e s t u d i e dt h e m r e s p e c t i v e l y t h e r ew e r ef o u rl i p a s es e l e c t e dt os t u d yt h eb i o d e g r a d a b i l i t yo fd t pa n dp e t , i n c l u d i n ga c i d i t ye n z y m e ，n e u t r a le n z y m e ，a l k a l i n ee n z y m ea n ds i g m ae n z y m e + w e p a i dg r e a te m p h a s i s o nt h et e s tm e t h o do fd e g r a d a t i o nr a t i oa n dv e r i f i e dt h e d e p e n d a b i l i t yo f t h em e t h o d ， f h e d e g r a d a t i o n r a t i oo f d t pa n dp e tw a sc a l c u l a t e dw i t ht w om e t h o d s o n e s i d e ，t h en u m b e ro f c a r b o x y lh y d r o l y z e db ye s t e rb o n dw a sc a l c u l a t e db ya l k a l i t i t r a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec o n t e n to f t p ai nd e g r a d a t i o ns o l u t i o nw a st e s t e d w i t hu v 2 0 0 0 i tw a sd i s c o v e r e dt h e d e g r a d a t i o nr a t i oc a l c u l a t e db ya l k a l it i t # 缸i o ni s l o w e rt h a nt h a to f u v 2 0 0 0 t h ed i f f e r e n c eo f t w ok i n d so f t e s t sw a s a n a l y z e d 。 a l k a l it i t r a t i o na n db u f f e rs o l u t i o n sw e r e a d o p t e dr e s p e c t i v e l yt ok e e pt h ep h o f r e a c t i o ns y s t e ma n dt h ei n f l u e n c ec a 雠蘸b yt h e mw a s c o m p a r e d 。t h e r e s u l ts h o w e d a l k a l it i t r a t i o nc a n k e e p t h ec a t a l y s i so f l i p a s e sw e l la n dd i f f e r e n tb u f f e rs o l u t i o n sh a v e d i v e r s ee f f e c tt od i f f e r e n tl i p a s e s 。 t h r o u g ht h ef i r s tr e s e a r c h ，s i g m ae n z y m ew a ss c r e e n e dt om a k ef u r t h e rs t u d y b e c a u s eo fi t se x c e l l e n td e g r a d a t i o nt oe s t e r 弱砖+ h p l cm e t h o dw a sa d o p t e dt o a n a l y s i st h ep r o c e s so fd t p , m i d p r o d u c ta n d u l t i m a t eo u t c o m e t h e d e g r a d a t i o np r o d u c to fp e 零f i b e r 舔e n z y m e w a s a n a l y z e dw i t ht h eh p t m e t h o d e v e ni ft h eb i o d e g r a d a t i o no fp e t b yl i p a s ei sm i n i m a l ，t h e r ei se r o s i v es i g no i lt h e t r e a t e dp e ts u r f a c eb ys e m m i c r o g r a p h s , a ss h o w n i ns e m m i c r o g r a p h s ， t h es t u d yo nt h em i c r o b i a ld e g r a d a t i o no fd t pa n dp e 、w a si m p o a n tc o n t e n t i nm yt h e s i s + f o u rs o u r c e so fa c t i v a t e ds l u d g ew e r ec o l l e c t e da td i f t r r e n tl o c a t i o n si n c h i n a + t h e y w e r ef r o mt i a n j i np e t r o c h e m i c a l c o l t d ( f o r s h o r tn z b e j i a n gy i n q i a o c h e m i c a lf i b e rc o l t d ，( f o rs h o r ty x s h a o x i n gd y e i n ga n df i n i s h i n gc o l t d ( f o r s h o r tj ) ，a n df u j i a nc h e m i c a lf i b e rc o 。l i d ( f o rs h o r tn 。w eu s e dt w ot y p e so f c u l t u r em e d i u mf o ri s o l a t i o nm i c r o b e m lw a sf o rb a c t e r i aa n dm 2w a sf o re u m y c e t e s m 3w a su s e da sad e g r a d a t i o nm e d i u mt os c f e e nm i c r o b ew 嫩c hc u l t u r ec o n d i t i o na n d m i c r o b es o u r c e sw e r eg o o da td e g r a d i n gd t pa n dp 琶tf i b e r w ec o u l dd r a wf o l l o w i n g c o n c l u s i o nf r o me x p e r i m e n tr e s u l t ：f i r s t l y ，m lc u l t u r ei sb e t t e rt h a nm 2c u l t u r e s e c o n d 杖 m 1 p h = 9 c a l ld e g r a d ed t p e f f e c t i v e l yi ns h o r t - t e r m 。 t 妇r e f o r e 。m i c r o b e si n c u b a t e di nm l ，p h = 9c u l t u r ew e r es e l e c t e da sm i c r o b e s o u r c ea n dm e d i u m 3w a sc h o s e na sd e g r a d a t i o nm e d i u mt od e d u c et h ed e g r a d a t i o n p r o c e s so f d t p a n dp e t , m i d - p r o d u c t sa n du l t i m a t eo u t c o m e 。旗色a n a l y z e dt h eg r o w t h o f m i c r o b ei nm e d i u m 3 d i s c u s s e dt h ee f f e c to f s t i rd e g r a d a t i o na n de s t a b l i s h e dt h e m o d e l o f d e g r a d a t i o n k i n e t i c 。 h er e s u l ti n d i c a t e dc l e a r l yt h a tt h eb i o d e g r a d a t i o n p r o d u c t so f d t p a n dp e t a r e c o m p l e x t h ee f f e c to f s t i rd e g r a d a 矗o ni so b v i o u s a n d m i c r o b e d e g r a d a t i o n k i n e t i co f d t pa c c o r d sw i t hm o n o d e q u a t i o n a sf o rm i c r o b e d e g r a d a b i l i t y 秘p 毯曩f i b e r , m i c r o b ei n c u b a t e d i nm e d i u m l p h = 9 a n dm e d i u m 3 m e d i m n 4w e r es c r e e n e da sd e g r a d a t i o nm e d i u m a f t e rf i n i s h i n gt h e r e a c t i o n 、s u r f a c ee r o s i o no ft r e a t e dp e tf i b e ri so b s e r v e db ys e mm i c r o g r a p h s ，b u t t h ed e g r a d a t i o nd e g r e ei sv e r yl i m i t e d t h er e s u l to fe x p e r i m e n td e m o n s t r a t e dt h el i p a s e sa n dm i c r o b e ss e l e c t e dc o u l d d e g r a d ed t p w e l l b u th a v el 请l ee f f e c tt op e t m i c r o b ed e g r a d a t i o no f d 评c a ns o l v e e f f e c t i v e l yt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc a u s e db vd t pa n di t e s t a b l i s h e dag o o d f o u n d a t i o nf o fd e v e l o p i n gam o r ea b i l i t ym i c r o b e i nf u t u r e i ti sn e c e s s a r yt os c r e e n m o r e e 燕c i e n c ye n z y m e s a n dm i c r o b e sf u r t h e rf o rs o l v i n gp e t p o l l u t i o n k e y w o r d s ：d t p p e t | i p a s e m i c r o b e d e g r a d a t i o n 天津王韭大学磺士研究生学位论文 1 前言 1 1 p e t 的发展现状 聚酯( p e t ，即聚对苯二甲酸乙二酯 囱英国化学家w h i n f i e l d 帮d i x o n 予 1 9 4 t 年发明，1 9 4 9 年率先在英国实现工业化生产，由于其具有优良的服用署口高 强度性能，成为合成纤维中产嫠最大的品释。另一方面，2 0 畿纪中时戬来，整 界面油工业迅猛发展，聚酯的原料市场得到极大誊富，有力的搬动了聚酯产业的 发展，使p e t 成为合成纤维领域中产蹩最大、种类最多的品种。 在聚熬产晶方嚣，纾维占缀大比藏，挝脂、薄膜和特秘产晶也在快速的发展 之中。p e t 的各种差另u 化纤维和功能纤维倍蹙人们的青睐，被大艇用于正业制晶， 魏逡辕豢、绳索、壤篷、包装楗料等。p e t 树器可翅佟工程塑糕，又由予p e t 的 玻璃化温度高于嶷温，偶极定向受到极大的限制，电绝缘性优良，可作为b 级绝 缘搴考辩，搦予交瓣器、魄动极、电容器秘毫线电缆；羁醛p e t 挝膳毙抵凌多数有 机溶剂和酸碱的腐蚀，良好的抗溶剂性使其大量应用于吹塑瓶子，市场上大黧的 饮料瓶、矿泉承簸都是p e t 裁菇。p 瓣薄骥楚热螫经塑料中极壤强发鞠甥蛙鬏努 的懿种之一，其撕裂强度低，而拉伸强度高，是聚乙烯的9 倍。1 9 9 6 年世界聚 蘸毽装树l 警和薄貘产量分嗣为4 5 1 。9 万睫窥1 3 8 。2 万穗，1 9 9 8 棼噩| 1 分涮为6 9 9 。5 万吨和1 6 3 1 万吨，2 0 0 0 年分别达到8 2 3 6 万吨和i 7 6 9 万吨，预计2 0 0 3 年， 菲纾聚酯产量约占总产童豹三分之一。孛鬻聚酯鹃产量1 9 8 3 年仅有1 6 + 4 万缱， 到1 9 9 8 年已达到3 6 0 万吨。目前，聚酯发展最具活力的地区转移到弧洲，中国 是箕中发糙速度激侠静菌家，澄经取代美国成为最大蘸会成绎缭生产嚣。毽赛聚 酯产品和仓成纤维产品的分布如表1 、表2 。f l 】- 【驯 表1 趱界聚璐产品结构分意 i 产晶结构1 9 8 7 年1 9 9 5 芷1 9 9 9 巍2 0 0 3 艇 l 涤纶用量( 万吨) ( 占)7 6 0 ( 7 7 5 ) 1 2 4 0 ( 6 8 6 )1 7 4 9 ( 6 7 ) 1 8 8 5 ( 5 4 6 ) l l 捉髓用量万建) ( 占) 1 1 0 ( 1 1 ，2 )3 5 9 ( 1 9 。参6 2 7 ( 2 4 )1 2 4 8 ( 3 5 4 ) i 、 薄膜用量( 万吨) ( 占) 7 5 ，4 ( 7 。7 )l l o ( 6 1 )1 2 9 ( 4 9 )1 9 晦) i l 其他用量( 万吨) ( 占)3 6 6 ( 3 6 )1 0 0 ( 5 4 )1 0 5 ( 4 1 )1 1 8 ( 4 ) l 总计( 万吨)9 8 01 8 0 9 2 6 l o 3 4 5 0 天津工业大学硕士研究生学位论文 表22 0 0 1 年合成纤维地区分布 聚酯纤维聚酰胺纤维丙烯酸纤维 堑丝壅堑丝 1 0 0 0 0 t1 0 0 0 0 t4 - _ 1 0 0 0 0 t4 - 1 0 0 0 0 t4 - 中国6 2 68+ 2 2 93 8 5+ 465 i 5+ 8 46 3 4+ 1 2 4 韩国2 0 6 08 13 9 17 48 52 8 40 75 0 日本6 2 85 42 6 46 53 6 93 31 0 7 15 2 美国1 4 56 一1 7 49 99 一1 5 , 51 3 115 01 0 8- 3 1 9 西欧1 3 3 5 7 76 2 3- 1 2 38 1 0- 3 24 2 5- 7 0 世界 1 8 9 3 3十1 23 6 89 42 6 0 8一1 62 1 1 24 7 1 2 p e t 、d t p 的环境行为和生态效应 随着p e t 产业的快速发展和广泛应用，每年都会产生大量的p e t 废弃物，虽 然它不会直接对环境造成危害，但由于废弃物数目巨大且对大气和微生物试剂的 抵抗性很强，因而从环境和生态角度考虑，p e t 废弃物已成为全球性的环境污染 有机物。 e d g e ”j 和a l l e n1 5 1 预测p e t 的存在周期为1 6 4 8 年，r u d a k o w a 【6 1 研究 认为p e t 在人体与动物体内的降解将持续3 0 年；聚酯瓶在湿度4 5 1 0 0 、温 度2 0 的环境中存在3 0 一4 0 年，其性能仅有5 0 的损失；相同条件下，聚酯胶片 可以存在9 0 1 0 0 年之久。 目前国际上规定了7 0 种被限制的环境荷尔蒙，其中有机化合物占了9 5 7 。 实际上环境荷尔蒙还要多，如对苯二甲酸二乙酯( d t p ) 作为增塑剂是诸多化工原 料中的一种主要污染物，虽然未被列入其中，但有关部门经过检测发现它对生物 体内分泌系统也有扰乱和破坏作用，也是一种环境荷尔蒙，对环境存在严重的危 害【7 i 。 1 3 目前国际上处理p e t 等废弃物的方式 目前对p e t 等废弃物的处理方法有：填埋、焚烧及回收利用捧j 。不同国家， 各种处理方法所占比例不同。大多数国家以填埋为主要方式，加拿大高达9 0 ； 而在日本由于国土狭小，以焚烧为主占6 8 ，填埋为2 9 ；回收利用的比例还很 小，以美国所占的比例最大也只是1 3 ，回收利用的高成本是其尚不被广泛应用 的首要原因。 、 从环境角度而言，填埋虽然是最古老最简单的方法，却具有许多不容忽视的 缺陷，如占有土地、产生渗漏液及污染地下水、释放有毒物质、滋生病菌、将可 利用的资源全部浪费等；同样焚烧生成的各类有毒物质亦将造成严重的环境污 染；回收是p e t 废弃物再利用有效而科学的途径，不仅使环境污染得到妥善解 决，且使资源得到最有效的节省和利用。1 9 9 3 年在日本随着“促进再生资源的 利用”法令的实施，指定聚酯瓶为第一大类回收产品，并成立了再循环公司；欧 洲及美国等国家也纷纷开发并实施了p e t 聚酯的回收利用技术。但p e t 废弃物 的回收再利用依然不能成为解决其环境污染问题的最终方法。首先，可以进行再 天津工业大学硕士研究生学位论文 生的p e t 废料有一定的限制，含有大量添加剂或其它难以去除的杂质以及已经 是多次再生的产品，回收再利用有很大困难；其次，大量不便收集的聚酯产品， 如农膜、垃圾等并不适合回收再生。再次，回收代价太大或没有回收价值的产品 也不值得回收再利用【9 1 。从而只有一小部分的p e t 废弃物实现了循环利用。 1 4 生物处理法的优越性 目前，p e t 的回收再利用基本上采取化学降解。化学方法很多，有水解( 酸 水解、中性水解、碱性水解) 、醇解( 甲醇醇解、乙醇醇解、乙二醇醇解等) 、胺 解、氨解、热裂解等。已经实现商业化生产的化学降解方法主要为醇解。由于在 普通条件下，纯芳香族聚酯p e t 对任何水解作用都毫无反应，所以只有在非常 强烈的化学条件下才能被降解再利用。如酸水解中，常压下反应，浓硫酸浓度不 能低于8 7 v e t ，反应温度约9 0 c 1 0 1 ；y o s h i o k a j 用稀释至小于6 7 7 w t 的硫酸， 则反应温度需提高到15 0 ，并要求高压设备的容积要大。因此浓硫酸水解p e t 难以克服的缺陷在于它对反应系统的强腐蚀性、产生大量无机盐和废水，对设备 的防腐要求高，污染较大。p e t 甲醇降解要求温度1 8 0 2 8 0 、压力2 - 4 m p a ”】， 而超l 临界甲醇最佳反应条件为温度3 3 0 ，压力1 4 m p a 。对设备要求非常严格， 产生大量的废水。其它的化学降解也都存在类似的问题。回收再利用产生的二次 污染问题严重阻碍了其发展的速度。 2 l 世纪是生物学技术的世纪，当前生物工程技术的不断发展，为p e t 的生 物降解开辟了广阔的前景。与化学降解不同，生物降解不仅可以避免化学方法的 缺陷，消除化学降解引起的二次污染，也可以大幅度降低处理成本。虽然还没有 发现能直接对p e t 进行高效降解的微生物或酶i l ，但无疑如果能够成功的找到 高效降解菌和酶，生物降解将是从根本上解决p e t 等废弃物污染的最好方法。 1 5d t p 生物降解性能研究的意义 首先，d t p 作为原料广泛应用于化工行业，自身也是一种环境荷尔蒙，对环 境产生严重污染。 其次，d t p 在微生物和水解酶的作用下将释放出对苯二甲酸( t p a ) 。t p a 是 一种非常重要的化工原料，广泛应用于合成树脂、涤纶纤维、塑料薄膜和染料等 行业，同时t p a 对水中微生物的再生有抑制作用，对动物有致突性和致癌作用， 被公认为是一种毒害性污染物。目前t p a 的生物降解研究已经成熟，而d t p 的处 理工艺还很不完善，因此如果不进行d t p 的处理，使其转化为t p a ，就无法使用 现有的t p a 处理工艺。为解决d t p 对环境形成的压力，对d t p 的生物降解的研究 已是势在必行。 最后，d t p 由于其化学结构与p e t 的一致性，使其成为研究生物降解p e t 聚 酯的最适模拟物之一，是研究p e t 纤维生物降解的初始阶段。所以，研究d t p 的 生物降解规律，不仅可以解决d t p 化工原料本身对环境的污染问题，还可以为 p e t 的生物降解性能研究奠定基础。 天津工业大学硕士研究生学位论文 1 6 目前国际上本课题研究现状 1 6 1 微生物降解 由于p e t 属于纯芳香族结构的特点，要筛选到能高效降解p e t 的微生物或 酶很困难【1 3 1 1 4 1 。目前许多专家致力于脂肪芳香共聚物的微生物降解研究。 r e e d i l5 j 实验认为p e t 与p e g ( 聚乙二醇) 的共聚物在p e g 含量为5 0 7 0 的条件下为可降解弹性体。n a g a t a 1 6 1 报道p e t 中引入己二酸、癸二酸形成的聚合 物能在一定程度上被酒麴菌类分泌的酶降解，反应温度3 7 ，缓冲液为磷酸盐。 w i t t 【1 7 1 报道嵌段共聚物一聚亚丙基癸二酸嵌段聚对苯二甲酸亚丙基 ( 5 0 m 0 1 对苯二甲酸) 在酸性条件下的生物降解取得了重大的效果。 不过大量的实验也表明脂肪- 芳香共聚物只有在芳香族成分含量相对低的前 提下才具有好的生物降解性u s l “1 9 】。随着t p a ( 对苯二甲酸) 所占比例的增大， 生物降解率显著下跌，当t p a 的含量达到6 0 m 0 1 时，共聚物就难以被微生物或 酶侵蚀。 尽管如此，在寻求微生物降解纯芳香族聚酯的过程中研究人员还是取得了初 步的成效。德国发表的专利【2 0 j 宣称用毛孢子菌类和真细菌目的生物菌可在几星 期之内完成芳香族聚酯的降解。h u a n g l 2 l j 合成不同的聚亚芳基酮酯，研究发现曲 霉可在这些材料的表面生长。 对聚合度和结晶度均很高的涤纶纤维的生物降解性能研究还未取得突破性 进展。这主要是由于涤纶纤维的化学结构非常紧密，不易被一般的生物菌进行生 物降解所致。但有报道表明日本京都工艺纤维大学纤维学部小田耕平教授等人已 发现涤纶分解菌1 2 “，可在2 个月内使涤纶纤维强度最高降低5 0 。2 0 0 1 年1 0 月 日本福井大学末信一朗教授到笔者学校进行学术交流，谈及经过多年的努力，目 前其培养、筛选的微生物菌株对p e t 纤维的降解率可达4 0 一5 0 。而在国内， 关注更多的是可生物降解高聚物的合成，尚未见到p e t 生物降解性能的研究报 道。不过，我国地域辽阔、资源丰富相应的生物菌种繁多，寻找到适合于涤纶生 物降解的微生物希望很大。 1 6 2 酶降解 酶作为一种替代化学品的生态制品以其独特的优点越来越受到重视，在环保 工业上的运用发展很快。酶作为生物催化剂与化学催化剂相比较具有更多的优 点：反应速率快、催化效率高、反应条件温和、能源节省、选择性好、转化率高、 设备投资少等，从而生物酶催化降解工业废料必将取代传统的化学方法，并且在 一些方面已经取得了骄人的成效。 关于降解p e t 的酶，有许多世界知名的大公司如丹麦n o v on o r d i s k 公司也 都处于不断的探索之中。大多数的酶对p e t 的降解率很低，不足以解决p e t 废 弃物引起的污染，但是如果用于进行p e t 纤维改性，还是能取得显著的效果。 m e e y o u n gy o o n l 2 驯在a a t c c2 0 0 1 年年度会议上报道了使用g e n e n c o r i n t e r n a t i o n a li n c 产品进行的研究，p e t 经过聚酯酶在p h 8 4 、4 0 下处理2 4 h 后， 天津工业大学硕士研究生学位论文 纤维的起球性、物理性能都得到了明显的改善，同时提高了纤维的去油污性、亲 水性及对阳离子染料的键合能力。因此利用酶改性p e t 纤维是非常有前途的工 艺。 虽然尚未找到使生物降解p e t 实现产业化的微生物或酶，但微生物具有极 其多样的代谢类型及极强的变异性，近年来的研究事实也表明原以为不可生物降 解的高分子找到了能降解它们的微生物或酶。在环境污染的压力下，地球生态系 统的分解者每时每刻都在发生变异，研究人员有可能从中筛选出适宜的微生物， 通过培养、驯化、变异等手段，开发出高效p e t 降解菌和酶。另一方面，共代 谢机制的存在大大拓宽了实现p e t 降解的可能性，尽管单一的微生物菌种不能 使p e t 降解，却有可能通过几种微生物的共代谢作用而得到部分或全部的降解。 同时，基因重组技术、细胞融合技术、酶的固定化技术、生化反应器及其工 程放大技术、新型纯化分离技术等基础理论和工业应用的突破为科学家们提供了 技术支持，有助于微生物的驯化和酶的制取。 因此生物降解p e t 方法虽然尚处于培养菌株、筛选菌株的初级阶段，但其 环保性使它成为研究的热点，成为最终解决p e t 污染的好方法。 天津工业大学硕士研究生学位论文 2 理论部分 随着各种合成高聚物的应用日益广泛，其废弃物对环境污染的压力也日渐突 出。要解决这种压力，从生物角度而言，有两个途径：一方面，加强合成可生物 降解型高聚物以取代环境污染高聚物，使高聚物使用后能自然降解，进入生态循 环系统；另一方面，对于p e t 之类不被自然环境降解的有机物，又因其不可替代 的性能优越性而具备广泛的市场，为减缓污染压力，从根本上解决问题，其必然 趋势是培养驯化高效降解菌，提取高效降解酶，使得本难以降解的高聚物能够被 解聚。 2 1 可生物降解高聚物的发展 生物降解型高聚物是指在自然界微生物如细菌、霉菌和藻类的作用下，可完 全分解为低分子化合物的有机物材料。生物降解型高聚物的降解机理，即可生物 降解高聚物被细菌、霉菌等作用消化吸收的过程，大致有三种方式：生物的物 理作用：由于生物细胞的生长而使物质发生机械性毁坏；生物的化学作用：微 生物对聚合物的作用而产生新的物质：酶的直接作用：微生物侵蚀部分导致聚 合物分解或氧化崩裂 2 4 j 。 目前，降解型高聚物按照降解机理主要分为光降解型、生物降解型和光一生 物降解型。其具体分类情况如下：1 2 5 j 降解型高聚物 光降解型高聚物 r 合成型 l 添加型 ，微生物合成型 l 化学合成型 生物降解型高聚物 天然高分子型 ir 淀粉填充型 。掺混型 淀粉接枝共聚型 【淀粉基质型 光一生物降解型 图1 降解型高聚物分类 天津工业大学硕士研究生学位论文 经过几十年的发展，已有一些生物降解高聚物实现了商品化，如表3 所示 表3 商业化的生物降解型高聚物 高聚物商品名厂家主要成分应用 生物合成高包装、容器、医 聚物 b i o p o l i c l p ( h b c o h v ) 用品、医疗器械 等 b j o n o l l e昭和高分子聚丁二酸酯系列 化学合成高 p l a c c eh 矿t 七儿化学工业 p c l 聚物 u c p c l 作添加剂用于 t o n e 降解塑料和农 l a c t y岛津制作所三井东压化 p l a 膜、药物控释 学公司 v i n e x a i rp r o d u c t s & p 删 c h e m i c a l s ( 美国) e n v i r o p l a s t i c p l a n e tp a c k a g i n g p e o 共混物 农膜包装容器 t e c h n o l o g i e s ( u s ) 等 天然高聚物m a t e r - b if e r r u z z ip v a + 淀粉( 7 0 )食品包装、日用 m o n t c f i s o n ( i t a l y ) 支线+ 线型淀粉品包装、医疗器 n o v o n w e m e r l a m b e r ( u s ) 具等医疗器具 等 尽管降解型高聚物已有了一定规模的发展和市场化进程，但其仍然存在许多 不容忽视的问题：【2 6 】 ( 1 ) 对可降解合成高聚物及其在资源、环保中的作用缺乏统一的认识和确切的 评价，以至争议不体。 ( 2 ) 可环境降解合成高聚物在国际上至今尚没有统一的定义和完全建立起统 一的试验评价方法、识别标志和产品检测标准，致使其技术市场、产品市场比较 混乱。 ( 3 ) 可降解型高聚物自身技术如更合理的工艺配方，准确的降解时控性，用后 快速降解性、以及边角料的回收利用技术还有待进一步提高和完善。 ( 4 ) 目前降解型高聚物产品的价格均高于通用型产品，成为产品推广应用的壁 垒。 2 2 高聚物的生物降解 2 2 1 高聚物的可生物降解性 高聚物的可生物降解性是指通过生物酶的生物化学反应使高聚物分解稳定 的性质。显然，微生物将使高聚物原有的化学结构和物理化学特性发生变化。可 生物降解性实际上表示的是有机物可被微生物所降解的程度，即其结构和物理化 学特性改变的程度。有人提出了三种不同程度的生物降解： ( 1 ) 初步降解：即指母体高聚物的一部分结构发生了变化，原有分子的完整性 已经改变，但其对环境的危害尚未去除，其分解产物仍对环境质量或生物体健康 有不良影响。 天津工业大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 环境可接受的生物降解，即母体高聚物虽然还没有被彻底降解，但已被降 解到对环境无害的程度，从保护环境不受损害的目的出发，这种程度的降解已是 可以接受的。 ( 3 ) 最终( 完全) 降解，即母体高聚物已完全无机化，在好氧条件下，高聚物 彻底氧化分解的最终产物是h ：0 和c o 。可能还有氨、硫酸盐等无机产物。在厌 氧条件下，高聚物将通过水解酸化、产氢、产乙酸及产甲烷等阶段最后生成甲烷 和二氧化碳等气体。 在讨论高聚物可生物降解性时，除了高聚物的降解程度，还应考虑到降解速 度，即达到所需降解程度需要的时间。降解速度很慢，达到环境可接受程度的生 物降解或完全降解所需时间很长，从控制环境污染及防止不良影响的角度分析是 没有意义的。 2 2 2p e t 等有机物的抗生物降解机制【2 7 j 尽管微生物有各种各样的分解作用，但并不是无所不能，自然的微生物区系 并不能分解所有的有机物。换言之，不是所有的有机物都能被代谢。p e t 等有机 物的抗生物降解机制可以从三个方面进行考虑：一是分子的结构特点；二是活微 生物的生理特点；三是化合物所处环境的特性。 ( 1 ) 降解抗生物材料的微生物尚未被发现。科学的发展导致新的高聚物不断涌 现，但新的酶系的出现远远落后于新化合物的产生。合成有机物仅在地球上出现 了6 0 年或更短的时间，如p e t 于1 9 4 1 才面世。酶对其作用的基质分子有相当的 特异性，这种特异性可分为绝对特异性与相对特异性。尽管生命进化了几十亿年， 但是能够进行分解代谢的途径只有有限的几条。分解代谢重要的酶系对向微生物 的供