聚酯(PET)的生物降解研究

聚酯的生物降解研究鞏繼賢天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院研究背景聚酯PET（Poly(ethyleneterephthalate)，后簡(jiǎn)稱PET）是一種廣泛應(yīng)用的高分子材料。由于具有良好的機(jī)械性能，PET纖維（滌綸）一直是合成纖維中產(chǎn)量最大、種類最多的品種。除用作合成纖維外，PET還廣泛應(yīng)用于工程塑料、生物材料、容器及產(chǎn)品包裝等多個(gè)領(lǐng)域。研究背景由于表面具有很高的疏水性，限制了PET作為信息功能材料、生物醫(yī)學(xué)材料和過濾材料等高性能材料在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。目前常用的PET化學(xué)改性方法，會(huì)產(chǎn)生大量廢水，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。用生物加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)PET材料的表面改性，形成基于生物加工方法的材料高性能化技術(shù)，對(duì)基礎(chǔ)材料的功能化和高性能化有重要意義。研究背景隨著PET產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，PET廢棄物形成的白色垃圾已成為全球性的環(huán)境污染有機(jī)物。PET廢棄物的處理已成為當(dāng)前聚酯工業(yè)發(fā)展的重大課題。在各種處理方法中，生物降解的方法被認(rèn)為是處理PET廢棄物的最好方法。PET通過生物降解進(jìn)入生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，能從根本上徹底解決PET廢棄物的環(huán)境污染問題。研究背景隨著PET產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，PET廢棄物形成的白色垃圾已成為全球性的環(huán)境污染有機(jī)物。PET廢棄物的處理已成為當(dāng)前聚酯工業(yè)發(fā)展的重大課題。在各種處理方法中，生物降解的方法被認(rèn)為是處理PET廢棄物的最好方法。PET通過生物降解進(jìn)入生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，能從根本上徹底解決PET廢棄物的環(huán)境污染問題。研究背景早在20世紀(jì)90年代末，PET的生物催化研究已經(jīng)開始。在初期的研究中，人們主要是從脂肪酶（Lipase）、酯酶（Esterase）等已經(jīng)商品化的酶產(chǎn)品中篩選可用于PET生物催化的酶。隨著研究的深入，開始通過菌株的選育來獲得更適合的菌株來用于PET的生物改性。我們課題組從2000年開始PET生物催化分解研究，目前已經(jīng)成功篩選出一株P(guān)ET分解菌。研究背景脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解PET降解菌的篩選及其性能研究PET分解酶的提取和定域展望脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解脂肪酶對(duì)DTP的降解性能

DTP(對(duì)苯二甲酸二乙酯)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與PET相似，是研究PET生物降解最好的模擬物之一；同時(shí)DTP作為化工原料，自身也是一種環(huán)境荷爾蒙，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。研究DTP的生物降解規(guī)律，不僅可以解決DTP化工原料本身對(duì)環(huán)境的污染問題，還可以為PET的生物降解性能研究奠定理論基礎(chǔ)。

脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解脂肪酶對(duì)DTP的降解性能

名稱來源酸性脂肪酶Novozymes中性脂肪酶Novozymes堿性脂肪酶NovozymesE-3019脂肪酶Sigma脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解脂肪酶對(duì)DTP的降解性能

由結(jié)果可知，Sigma的脂肪酶E-3019酶對(duì)DTP的降解效果最好。

脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解脂肪酶對(duì)DTP的降解性能

E-3019酶降解不同初始濃度的DTP產(chǎn)生的TA量與時(shí)間關(guān)系曲線脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解脂肪酶對(duì)DTP的降解性能

E-3019酶降解DTP時(shí)不同初始濃度DTP與TA初始生成速率的關(guān)系脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解脂肪酶對(duì)DTP的降解性能

E-3019酶降解DTP的Hanes-Woolf曲線脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解脂肪酶對(duì)DTP的降解性能

Sigma公司E-3019酶降解DTP的Hanes-Woolf曲線方程：脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解脂肪酶對(duì)DTP的降解性能

對(duì)Sigma脂肪酶E-3019降解DTP的性能進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。

E-3019酶降解DTP反應(yīng)l0h后降解液的HPLC譜圖

脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解脂肪酶對(duì)DTP的降解性能

DTP降解率開始提高很快，以后逐步趨緩，24h后降解率可達(dá)42.33％。

E-3019酶對(duì)DTP的降解率隨時(shí)間的變化脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解脂肪酶對(duì)DTP的降解性能

由圖中保留時(shí)間為5.4min處的Peak4峰和TA吸收峰面積的變化，推測(cè)DTP降解后并不是馬上轉(zhuǎn)化為TA。降解過程中TA和Peak4峰面積變化情況

脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解脂肪酶對(duì)DTP的降解性能

其可能的機(jī)理是酶在攻擊DTP上一個(gè)酯鍵后，并不立即進(jìn)行另一酯鍵的水解，而是當(dāng)初步水解產(chǎn)物對(duì)苯二甲酸單酯積累一定量后，才開始進(jìn)行另一個(gè)酯鍵的水解。保留時(shí)間為5.4min處的Peak4峰應(yīng)該是對(duì)苯二甲酸單酯。

脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解脂肪酶對(duì)PET的降解初探

PET纖維經(jīng)E-3019酶處理后的HPLC譜圖

降解液中有微量的TA產(chǎn)生，說明酶對(duì)PET纖維有微弱的降解作用。因此，有必要選育合適的PET降解菌株，并從中提取高效的酶。

研究背景脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解PET降解菌的篩選及其性能研究PET分解酶的提取和定域展望PET降解菌的篩選及其性能研究PET降解菌的篩選菌群來源T天津石化總公司化纖廠Y浙江紹興銀橋化纖廠J浙江紹興稽山印染廠F福建福清化纖廠PET降解菌的篩選及其性能研究PET降解菌的篩選DTP降解液的HPLC譜圖(a)菌群Y,(b)菌群T,(c)菌群F（a）（b）（c）PET降解菌的篩選及其性能研究PET降解菌的篩選菌株底物時(shí)間（d）降解液中的TA（%)TPET纖維140.055YPET纖維14-JPET纖維14-PET降解菌的篩選及其性能研究PET降解菌的篩選菌群T降解PET纖維的降解液HPLC譜圖PET降解菌的篩選及其性能研究PET降解菌的分離菌群T的劃線分離由菌群T分離出的5株菌對(duì)DTP的降解PET降解菌的篩選及其性能研究PET降解菌的鑒定對(duì)菌株F4進(jìn)行了鑒定，分子生物學(xué)鑒定和Biolog快速鑒定的結(jié)果顯示該菌株為桿狀菌，革蘭氏染色呈陰性，菌株形態(tài)為直桿狀，菌落形態(tài)呈球形，乳白色，表面光滑，邊緣整齊。

PET降解菌的篩選及其性能研究菌株F4對(duì)PET的降解PET膜菌株F4對(duì)PET膜降解的SEM照片（×2000）(a)PET膜在F4培養(yǎng)液中30℃處理3個(gè)月；(b)PET膜在蒸餾水中30℃處理3個(gè)月（b）（a）PET降解菌的篩選及其性能研究菌株F4對(duì)PET的降解PET纖維菌株F4對(duì)PET纖維降解的SEM照片（×300）(a)未處理的PET纖維；(b)PET纖維在F4培養(yǎng)液中30℃處理14天（b）（a）PET降解菌的篩選及其性能研究PET降解菌的作用機(jī)理以TA為模型底物進(jìn)行了PET降解菌作用機(jī)理的研究。對(duì)苯二甲酸(terephthalieacid，TA)是制造PET的主要原料，也是一種需優(yōu)先治理的污染物之一。研究TA的生物降解，不僅可以很好地解決TA廢水對(duì)環(huán)境的污染問題，而且有助于揭示PET生物降解的機(jī)制。PET降解菌的篩選及其性能研究PET降解菌的作用機(jī)理用GC-MS對(duì)TA的生物降解過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)由譜圖解析，可推測(cè)降解過程中產(chǎn)生了2-羥基-對(duì)苯二甲酸PET降解菌的篩選及其性能研究PET降解菌的作用機(jī)理用GC-MS對(duì)TA的生物降解過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)由譜圖解析，可推測(cè)降解過程中產(chǎn)生了間羥基-苯甲酸PET降解菌的篩選及其性能研究PET降解菌的作用機(jī)理用GC-MS對(duì)TA的生物降解過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)由譜圖解析，可推測(cè)降解過程中產(chǎn)生了3-羧基-粘康酸研究背景脂肪酶對(duì)PET及模型底物的降解PET降解菌的篩選及其性能研究PET分解酶的提取和定域展望PET分解酶的提取和定域由菌株F4提取的粗酶液對(duì)DTP的降解PET分解酶的提取和定域由菌株F4提取的粗酶液對(duì)DTP的降解溫度和pH對(duì)由菌株F4提取的粗酶液降解DTP的影響PET分解酶的提取和定域由菌株F4提取的粗酶液對(duì)DTP的降解菌株F4提取的胞內(nèi)酶降解不同初始濃度的DTP產(chǎn)生的TA量與時(shí)間關(guān)系曲線PET分解酶的提取和定域由菌株F4提取的粗酶液對(duì)DTP的降解不同初始濃度DTP與TA初始生成速率的關(guān)系PET分解酶的提取和定域由菌株F4提取的粗酶液對(duì)DTP的降解菌株F4提取的胞內(nèi)酶降解DTP的Hanes-Woolf曲線PET分解酶的提取和定域由菌株F4提取的粗酶液對(duì)DTP的降解菌株F4提取的胞內(nèi)酶降解DTP的Hanes-Woolf曲線方程：而Sigma公司E-3019酶降解DTP的米氏常數(shù)為Km=4.7×10-2(mol/L).

PET分解酶的提取和定域由菌株F4提取粗酶液對(duì)PET纖維的降解PET分解酶的提取和定域由菌株F4提取粗酶液對(duì)PET織物的改性處理后滌綸織物的親水性變化SampleCapillaryeffect/cmContactangle(°)0#1.189.71#1.477.42#1.972.33#2.467.04#2.962.45#3.258.96#3.755.8PET分解酶的提取和定域由菌株F4提取粗酶液對(duì)PET織物的改性處理后滌綸織物的抗靜電性變化SampleHalflifeofstaticelectricity/s0#139.81#119.12#99.73#77.54#59.65#48.76#36.4PET分解酶的提取