5可降解塑料的生物合成

体产生毒性。 体产生毒性。
PHB的工业化应用存在缺点 PHB的工业化应用存在缺点：
1 PHB较差的融化稳定性 较差的融化稳定性 分解温度（200℃）与溶化温度（175℃）相近。 分解温度（ ℃ 与溶化温度（ ℃ 相近。 克服措施：发酵时加入3HV的前体合成 的前体合成PHBV共聚体 克服措施：发酵时加入 的前体合成 共聚体 与其它多聚物混合。 将PHB与其它多聚物混合。 与其它多聚物混合 2 在环境条件储存数日，PHB易发脆，老化。 在环境条件储存数日， 易发脆， 易发脆 老化。 克服措施：简单的淬火处理解决。 克服措施：简单的淬火处理解决。
合成PHAs 二 合成PHAs 的主要基质 1 糖质碳源 2 甲醇 气体（ 3 气体（H2 、CO2、 O2 ） 4 烷烃及其衍生物
1 糖质碳源 葡萄糖
A.eutrophus的变异株利用葡萄糖已用于工
业生产PHB。Kim等人采用细胞密度培养的 。 等人采用细胞密度培养 业生产 等人采用细胞密度培养的 方法， 细胞浓度达164g/L，干细胞中 方法，50h细胞浓度达 细胞浓度达 ， PHB含76％， ％，PHB生产强度为 生产强度为2.42g/(L.h). 含 ％， 生产强度为
PHAs的结构 Βιβλιοθήκη 结构、 第二节 PHAs的结构、物理化学性质 和应用
微生物体内的PHAs 一 微生物体内的 PHAs是多种微生物细胞内的储存物（碳源能源） PHAs是多种微生物细胞内的储存物（碳源能源） 是多种微生物细胞内的储存物 特性： 特性：低溶解性 高分子量 细胞内的积累不会引起渗透压的增加。 细胞内的积累不会引起渗透压的增加。
PHAs的结构 二 PHAs的结构
通式： 通式： R O
R为不同链长的正烷基（支链、不 为不同链长的正烷基（支链、 为不同链长的正烷基 饱和、带取代基） 饱和、带取代基） R为甲基，单体ß－羟基丁酸 为甲基，单体 －羟基丁酸HB 为甲基 R为乙基，单体ß－羟基戊酸 为乙基，单体 －羟基戊酸HV 为乙基
特定条件， 特定条件，两种或两种以上单体形成共聚物 3HB和3HV组成的共聚物 和 组成的共聚物—— 组成的共聚物 3HB-co-3HV 或写成PHBV. 或写成PHBV. 目前仅针对PHB、PHBV两种共聚物进行研究。 、 两种共聚物进行研究。 目前仅针对 两种共聚物进行研究
PHAs的物理化学性质 三 PHAs的物理化学性质
塑料垃圾 ！！！
分 类 垃 圾 箱
1 普通塑料对环境污染具有以下特点 （1）污染范围广。江河湖泊、山川田野。 ）污染范围广。江河湖泊、山川田野。 （2）污染物增长量快。 ）污染物增长量快。 统计：全世界每年的塑料需求量 亿吨， 需求量1亿吨 统计：全世界每年的塑料需求量 亿吨，倾入海 洋的塑料垃圾达数10万吨 万吨。 洋的塑料垃圾达数 万吨。 我国： 年农用薄膜30万吨 我国：1985年农用薄膜 万吨 年农用薄膜 1990年农用薄膜 万吨。 年农用薄膜50万吨 年农用薄膜 万吨。 1995年农用薄膜 万吨。 年农用薄膜88万吨 年农用薄膜 万吨。 美国专家估计全世界每10年将增加 倍。 美国专家估计全世界每 年将增加1倍 年将增加
1 线状的 －羟基烷酸的聚酯。 线状的ß－羟基烷酸的聚酯。 2 PHB是高度结晶的晶体。结晶度范围 ％～ ％ 是高度结晶的晶体。 ％～80％ 是高度结晶的晶体 结晶度范围55％～ 3 熔点、玻璃态温度、抗张强度与聚丙烯（PP）相 熔点、玻璃态温度、抗张强度与聚丙烯（PP） 似。 4 相对密度大，抗紫外线 相对密度大， 5 具有光学活性
PHAs的生物合成 第三节 PHAs的生物合成
合成PHAs的主要微生物 一 合成 的主要微生物 1 PHAs的发现及形成机制 PHAs的发现及形成机制 PHB最初由 Lemoigne于1925年首先发现。从 最初由 年首先发现。 于 年首先发现 巨大芽孢杆菌（ 分离鉴定。 巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium)分离鉴定。 分离鉴定 形成芽孢时产生PHB。 阐明该菌形成芽孢时产生 阐明该菌形成芽孢时产生 。 20世纪 年代，发现 世纪50年代 发现PHB的生成量随培养基中 的生成量随培养基中 世纪 年代， 的生成量 碳氮比的增加而增加
PHAs族中研究和应用最广泛的多聚体： 族中研究和应用最广泛的多聚体： PHB） （1）聚ß－羟基丁酸（简称PHB） ） －羟基丁酸（简称PHB 羟基丁酸与3 （2）3－羟基丁酸与3－羟基戊酸的共聚物 P(3HB[简称P(3HB-co-3HV)或PHBV] 简称P(3HB co-3HV)或 具有生物可降解和生物可相容性。 具有生物可降解和生物可相容性。 PHAs制作的香波瓶，9个月基本完全降解。 制作的香波瓶， 个月基本完全降解 个月基本完全降解。 制作的香波瓶 石油合成塑料制的香波瓶，完全降解需 石油合成塑料制的香波瓶，完全降解需100年。 年 PHAS在避免、减少塑料废物对环境的污染上具有深 在避免、 在避免 远的意义。 远的意义。
固氮菌：产生多糖， 的比产率降低， 固氮菌：产生多糖，PHB的比产率降低，技术问题。 的比产率降低 技术问题。 甲基营养菌： 产率中等。 甲基营养菌：PHB产率中等。 产率中等 真养产碱杆菌：生长快，易培养、胞内PHB含量高、 真养产碱杆菌：生长快，易培养、胞内 含量高、 含量高 聚合物分子量大并能利用各种较经济的能源。 聚合物分子量大并能利用各种较经济的能源。 最终选择了—— 最终选择了
PHAs和聚丙烯（PP)的性质比较 和聚丙烯（ 和聚丙烯 的性质比较
性质
熔点℃ 熔点℃ 结晶度％ 结晶度％ 相对密度g/cm3 相对密度 抗张强度Mpa 抗张强度 抗紫外线照射 抗溶剂 生物降解性
PP
171～186 ～ 65～70 ～ 0.905~0.904 39 差 好 不可降解
PHB
171～182 ～ 65～80 ～ 1.23~1.25 40 好 差 可降解
2 产生 产生PHAs的微生物 的微生物 计65属，近300种。用的较多的有： 属 种 用的较多的有： 产碱杆菌属（ 产碱杆菌属（Alcaligenes) 假单胞菌属（ 假单胞菌属（Pseudonomas） 固氮菌属（ 固氮菌属（Azotobacter） 红螺菌属（ 红螺菌属（Rhodospirilum）
（4）回收利用难 ） 种类多，填料、染料多样，难以分拣回收。 种类多，填料、染料多样，难以分拣回收。 （5）对生态环境危害大 ） 地膜降低部分耕地质量，农作物植株矮 地膜降低部分耕地质量， 小、抗病力差 残膜对周围环境、畜牧业、 残膜对周围环境、畜牧业、养殖业有很 大影响。 大影响。
问题如何解决？ 问题如何解决？
蔗糖和糖蜜 带有稳定高拷贝数的pSYL104质粒的重组 质粒的重组 带有稳定高拷贝数的 E.coli 能利用蔗糖生产 能利用蔗糖生产PHB。 。 在含蔗糖的合成培养基中采用恒定pH的分批补 在含蔗糖的合成培养基中采用恒定 的分批补 料方式培养48h，细胞浓度达 料方式培养 ，细胞浓度达124.6g/L, PHB 浓度34.3g/L。加有机氮可以改善。 浓度 。加有机氮可以改善。 利用糖蜜原料有困难：杂质多， 难积累。 利用糖蜜原料有困难：杂质多，PHB难积累。 难积累 需精制后使用。 需精制后使用。
2 生物可降解塑料代替石油化工合成塑料 意大利1991年立法规定所有包装用塑料都必 年立法规定所有包装用塑料都必 意大利 生物可降解。 须生物可降解。 羟基烷酸（ 聚ß-羟基烷酸（简称 羟基烷酸 简称PHAs） ） 采用微生物发酵法生产， 采用微生物发酵法生产，已成为环境生物学 研究的热点。 研究的热点。
重组E.coli 利用丰富酵母膏、蛋白胨的葡萄糖培养基培养， 利用丰富酵母膏、蛋白胨的葡萄糖培养基培养， 42h细胞浓度达 细胞浓度达117g/L，PHB占细胞干重 ％， 占细胞干重76％， 细胞浓度达 ， 占细胞干重 PHB生产强度 生产强度2.11g/(L.h) 生产强度 降低成本，用合成培养基培养35h，细胞浓度为 降低成本，用合成培养基培养 ， 71.4g/L，PHB干重 干重22.8％。即 在合成培养基上 ％。即 ， 干重 ％。 不能大量积累PHB。 不能大量积累 。 在合成培养基上加有机氮源，改进方法， 在合成培养基上加有机氮源，改进方法，细胞浓 度达116g/L，PHB干重达 干重达62.2％。 度达 ， 干重达 ％。
为丙基， 为丙基 单体ß－羟基己酸HC --O-CH-CH2-C-- R为丙基，单体 －羟基己酸 n R为丁基，单体 －羟基庚酸 为丁基， 为丁基 单体ß－羟基庚酸HH R为戊基，单体ß－羟基辛酸 为戊基，单体 －羟基辛酸HO 为戊基 R为己基，单体 －羟基壬酸 为己基，单体ß－羟基壬酸HN 为己基 R为庚基，单体ß－羟基癸酸 为庚基，单体 －羟基癸酸HD 为庚基
工业上
能否对机体产生毒性？ 能否对机体产生毒性？
原核生物和真核生物中发现含有 中发现含有100～200个 在原核生物和真核生物中发现含有 ～ 个 单体的小分子量 小分子量PHB，其作用作为细胞膜的离子 单体的小分子量 ， 通道组成。 通道组成。 人体血浆中检测到PHB的存在。 的存在。 人体血浆中检测到 的存在 因此，植入哺乳动物组织内的PHB不会对机 因此，植入哺乳动物组织内的 不会对机
选择工业生产PHAs的菌种考虑的因素： 的菌种考虑的因素： 选择工业生产 的菌种考虑的因素 能利用廉价碳源的能力 生长速率问题 多聚物合成速率 在细胞内最大量积累多聚物的能力
英国ICI公司进行考察，发现： 公司进行考察，发现： 英国 公司进行考察
ICI——Imperial Chemical Industries帝国化学工业公司 帝国化学工业公司
（3）处理难 ） 耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解。 耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解。 埋地百年不烂；燃烧产生大量有毒气体。 埋地百年不烂；燃烧产生大量有毒气体。
制品 时间 （年）
各种塑料及相近制品在环境中被预期降解的时间 塑料瓶PET 自动售货机杯 聚乙烯泡沫杯盘 可处理尿布 塑料瓶 >20 >500 >20 >100