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科学家发现可帮助降解聚氨酯基塑料的微生物: zhpd55 2020-3-30 15:07; 科学家发现可帮助降解聚氨酯基塑料的微生物诸平据 Frontiers 2020年3月27日提供的消息，德国研究人员已经发现可帮助降解聚氨酯基塑料( polyurethane-based plastics )的微生物。众所周知，塑料污染已经成为当今社会环境污染问题中的老大难，也被称之为白色污染。笔者之前也曾经写过关于塑料回收利用的博文（将塑料废料转化为航空燃料的方法）。根据美国环境保护署( Environmental Protection Agency ， EPA )的数据，2015年美国的垃圾填埋场接收了2600万t塑料，最新的统计数据可以直接浏览 EPA 网站。美国 EPA 利用美国化学委员会和美国聚对苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate, PET）容器资源协会的数据，来衡量塑料的回收利用。2015年回收塑料总量相对较少，为310万t，回收率为9.1%，但某些特定类型塑料容器的回收利用更为显著一些。2015年PET瓶回收率为29.9%，HDPE瓶回收率为30.3%。2015年美国城市生活垃圾塑料燃烧总量为540万t。这只是当年所有垃圾焚烧与能源回收总量的15.9%。2015年，美国的垃圾填埋场接收了2600万t塑料,占填埋场所有都市固体废物的18.9%。而且中国最近已经停止接受来自美国和加拿大的回收塑料。据科学家保守估计，全球每年至少有480万t塑料进入海洋。 2017年，美国的塑料产量为3537万吨，塑料废品占城市固体废弃物产量的13.2％。2017年美国回收塑料为300万吨，回收率仅有8.4％；但某些特定类型的塑料容器的回收利用比例相对较高一些。2017年PET瓶和罐的回收率为29.1％(较2015年有所下降)，HDPE瓶的回收率为31.2％（较2015年有所提升）。2017年城市固体废弃物中燃烧的塑料总量为560万t。占当年所有能源回收燃烧的城市固体垃圾总量的16.4％。2017年，美国垃圾填埋场收到了2680万t塑料废弃物(较2015年增加了80万t)，占美国所有垃圾填埋场总量的19.2％。美国 1960～2017年塑料废弃物处置图示（ Fig. 1 ）表明，塑料废弃物处置方法中填埋（ Landfilled ）是主要处理途径，以2017年为例，美国塑料产量为3537万t,废弃塑料填埋量为2682万t,塑料废弃物燃烧回收能源量总量为559万t，废旧塑料回收量为296万t。图1美国1960～2017年塑料废弃物处置图示 2018年12月，英国其年度统计结果显示，塑料回收率仅有9%左右。每年沿海地区约有180亿磅的塑料废物流入海洋。全球塑料产量中约有四成是用于包装材料，但是，这些包装材料仅使用一次之后，然后被抛弃，成为塑料垃圾。全球塑料生产行业分类统计结果见表1. 表1 全球塑料生产量（按行业进行分类）（ NGM STAFF. SOURCE: ROLAND GEYER,UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA BARBAR ）塑料生产行业产量/百万t 比例/% 包装业 161 35.94 建筑及施工 72 16.07 纺织品 65 14.51 消费者产品展示 46 10.27 运输 30 6.70 电器 19 4.24 产业机械 3 0.67 其它 52 11.61 平均塑料袋使用量，美国购物者每人每天使用一个，一年就需要消费365个塑料袋；但是丹麦每一位消费者每年只使用4个塑料袋。全球塑料生产量，1950年为230万t，2000年增加至25000万t,2015年全球塑料产量增加到44800万t。累计生产的塑料总量当中，有一半是2000年以来生产的。塑料回收利用率最高的是欧洲，可以达到30%；中国的塑料回收率为25%，塑料回收率最低的是美国，仅有9%左右。目前，世界原油中有8%用于生产塑料，但是到2050年用于塑料产生的油量比例预计将会达到20% 。随着塑料产量的增加，废弃物也会随之增加，对环境带来的污染必然会更加严重。德国研究人员在《微生物学前沿》（ Frontiers in Microbiology ）杂志上报告说，他们已经鉴定了一种能够降解某些聚氨酯化学结构成分的细菌 —— María José Cárdenas Espinosa ,Andrea Colina Blanco,Tabea Schmidgall, Anna Katharina Atanasoff-Kardjalieff ,Uwe Kappelmeyer, Dirk Tischler , Dietmar H. Pieper , Hermann J. Heipieper , Christian Eberlein . Toward Biorecycling: Isolation of a Soil Bacterium That Grows on a Polyurethane Oligomer and Monomer . Front. Microbiol. , Published:27 March 2020. DOI: 10.3389/fmicb.2020.00404 . https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00404 . 德国莱比锡UFZ赫尔姆霍茨环境研究中心（ Helmholtz Centre for Environmental Research-UFZ in Leipzig ）的高级科学家，也是上述论文的合作者Hermann J. Heipieper博士说：“这种细菌可以将这些化合物用作碳，氮和能量的唯一来源，这一发现代表了能够重用难以回收的PU产品的重要一步。” 2015年，仅聚氨酯产品就占欧洲塑料产量的350万吨。聚氨酯可用于冰箱，建筑，鞋类和家具以及可利用其轻质、绝缘和柔韧性的众多其他应用。不幸的是，聚氨酯很难回收利用或分解，因为大多数这类塑料都是热固性聚合物，加热时不会熔化。废物大部分最终进入垃圾填埋场，在那里释放出许多有毒化学物质，其中一些具有致癌性。利用细菌和真菌等微生物来分解油基塑料是一个正在进行的研究领域。但是，像目前的论文一样，很少有研究涉及聚氨酯的生物降解。来自德国的研究小组成功分离出一种细菌，假单胞菌（Pseudomonas sp.），TDA1，来自一个富含脆性塑料废料的地方，显示出破坏组成聚氨酯塑料的某些化学键的潜力。研究人员进行了基因组分析，以确定工作中的降解途径。他们初步发现了有助于微生物代谢塑料中某些化学物质以获取能量的因素。他们还进行了其他分析和实验，以了解此菌的功能。亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）的克里斯蒂安·埃伯林（Christian Eberlein）博士说，这种特殊的菌株是一组细菌的一部分，这些细菌以对有毒有机化合物和其他形式压力的耐受性而闻名。他是论文的合著者，负责协调和监督这项工作。他说：“这种特性也被称为耐溶剂性（ solvent-tolerance ），是极端微生物的一种形式。” 这项研究是欧盟一项名为使用恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）合成生物学从塑料废物到塑料价值转化（ From Plastic waste to Plastic value using Pseudomonas putida Synthetic Biology ， P4SB ）科学计划的一部分，该计划正在尝试寻找有用的微生物，这些微生物可以将油基塑料生物转化为可完全降解的微生物。顾名思义，该项目专注于一种称为恶臭假单胞菌的细菌。除聚氨酯外，包括亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）在内的P4SB联盟也在测试微生物降解由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）制成的塑料的功效，该塑料已广泛用于塑料水瓶中。 Hermann J. Heipiepe博士说，有关假单胞菌（Pseudomonas sp.）TDA1的任何未来研究的第一步。TDA1将用于识别编码能够分解聚酯基聚氨酯中某些化合物的细胞外酶的基因。细胞外酶，也称为外切酶，是细胞外分泌的引起生化反应的蛋白质。但是，目前尚无计划使用合成生物学技术生产生物塑料来改造这些酶或其他酶。例如，这可能涉及将细菌遗传转化为微型工厂，这些微型工厂能够将油基化合物转变为对地球友好的塑料可生物降解的化合物。 Hermann J. Heipiepe说，在科学家们能够实现技术和商业飞跃之前，需要更多的“基础知识”，如本研究中收集的知识。本研究只向前迈出了一小步。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。如新研究可能会改变我们的回收方式（ New study could revolutionize the way we recycle ）.; 个人分类: 新观察|2614 次阅读|0 个评论

当前国内甾醇资源开发显现的问题: yangsk 2009-11-3 11:24; 当前国内甾醇资源开发显现的问题 1. 问题的提出早在 2 年前，笔者就撰文关注发展本土甾体资源，均衡发展我国甾体药业在国内生物化工研讨会上交流（参见 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=219433 ）。但是却未能引起相关产业部门及管理层面有影响人士的重视，已至于目前出现了令人担心的不利于我国甾体药业健康均衡发展的苗头。据称， 2007 年春国内 10 多家甾体药业骨干俱乐部成员和少数薯蓣皂素厂家在海南召开了一次行业会议，一位业内有影响人士在会上报告声言，他有能力在 3 到 5 年内利用甾醇生物降解中间体，大部份取代以致完全代替国内现有的薯蓣皂素半合成工艺技术路线。於是乎，在这一号令之下国内刹那间就出现了一股势不可挡的甾醇开发热。大有当年大跃进时代，发生在科技领域的大兵团作战夹击胰岛素的势头。时至今日，我们仅采用期刊精细与专用化学品发布的 2007 至 2009 年固（甾）醇和妥尔油进口贸易数据的涨落现象，就可以说明国内甾体药物行业及产业的发展，在甾醇资源开发利用上显现的问题。不能一哄而起；不能违背科学发展观的指导，要根除大跃进式的思维模式，绝对不能搞大兵团作战，否则谈不上发展，而是倒退，造成大量人力物力财力资源的浪费与损失。表 1. 固（甾）醇和妥尔油进口贸易数据日期甾醇妥尔油 (t) ( 万美元 ) (t) ( 万美元 ) 2007 ， 1~7 166 365 4952 328 2008 ， 1~7 251 681 6381 411 2009 ， 1~7 110 161 1576 117 小计 527 1207 12909 856 合计金额 2063 ( 万美元 ) 笔者仅统计了从精细与专用化学品 2007 ， 1~7~2009 ， 1~7 三年期间的部份数据，从表 1 中可以看出固（甾）醇共计进口 527 （ t ），支付外汇金额 1207 ( 万美元 ) ；妥尔油，这是一种国外造纸工业利用针叶林木材造纸的纸浆废（母）液，可以从中分离出以 - 谷甾醇为主的植物甾醇粗品混合物，共计进口 12909 （ t ），支付外汇金额 856 ( 万美元 ) ；两项相加共计支付外汇金额 2063 ( 万美元 ) （表 1 ）。这些数据说明了什麽问题？有无必要非得要化巨额外汇大量进口国内已经有的同样可资源化的轻工造纸行业的废（母）液妥尔油？国内从 70 年代和八五国家攻关以来在植物甾醇开发和生物催化和生物加工的技术成熟度如何？特别令人刺眼的是进口上万吨的造纸废（母）液，这更令人匪夷所思。难道国内的轻工造纸行业的废（母）液还不能满足需求吗？对环境有利的资源化开发怎能仅停留在口头上呢？这种现象正常吗？ 2. 甾醇资源的工业生物技术开发仍须遵循高新技术发展的基本规律循序渐进的二次研发过程开发利用植物甾醇，主要是包括谷甾醇，豆甾醇，菜油甾醇等天然产物混和物，如像利用包括皂素类的薯蓣皂素，海柯吉宁（蕃蔴皂素），梯柯吉宁（剑蔴皂素），以及澳洲茄胺都是当今用来工业生产甾体激素药物的起始原料。我国长期以来主要利用薯蓣皂素，少部分利用海柯吉宁（金沙江干热河谷蕃蔴皂素资源的开发研究，天然产物研究与开发， 2007 ， 19 ： 696~700 ）和梯柯吉宁；植物甾醇，这种凡是高等维管束植物经主代谢途径，均可导致在相关组织细胞生物合成分布有植物甾醇。显然，国内轻化工行业有大量这种植源性可资源化开发植物甾醇的废弃物存在，必不可少的前期工作就是分离出可供微生物降解的植物甾醇底物，发酵工艺的选择又依赖于选育菌种的性能，如通常的分枝杆菌可因为豆甾醇组份的存在而抑制发酵降解活性，导致积累目标产物浓度降低。近年也已经报道了选育分枝杆菌突变株，可用于来自蔗糖工业废物富含 - 谷甾醇和豆甾醇混合物，易柀该突变株生物转化，且具有解除豆甾醇抑制活性的作用；微生物生物催化不同的甾醇底物具有不同的亲和力，作为最终底物使用，不同来源甾醇混合物有不同的植物化学组成，均存在对发酵降解的影响这些都是当前研发工作的新热点。早期自 70 年代以来，国内对植物甾醇微生物断测链仅作了部分零星的实験研究工作，有少数论文发表；国家八五攻关也含有动植物甾醇微生物断测链的研究内容，其后国家层面中断该项目的工作，也未见有工业规模开发利用的报道。可见，国内在这方面的应用研究基础工作是比较薄弱的，如本土菌种的分离选育，以及前期开发可应用性的植物甾醇原料配套加工技术也缺失或不成熟。因此近年突显的甾醇开发热，盲目大举进口甾醇和妥尔油，继又出现消化不良的涨落现像。其原因在于国内数十年来，甾体药业主要突显化学合成技术力量的配置，化学社区处于强势地位；生物学社区一直势单力薄，相应科研工作储备不足。加之两者间缺乏实质性的有效沟通交流与合作，当前出现的植物甾醇微生物断测链浮燥冒进现像也就不足为怪了。植物甾醇的微生物发酵降解测链，生产有用的甾体中间体雄甾 -4- 烯 -3 ， 17- 二酮（ AD ），雄甾 -1 ， 4- 烯 -3 ， 17- 二酮（ ADD ），以及近年国外已经形成的研发热点制 9- 羟基 -AD ，由于该中间体用于合成高效含卤（氟，氯）皮质激素更具有吸引力，因其化学结构上 9- 羟基的存在，借助已有的化学手段可顺利地在 C 9 - 位引入一个卤原子，在 C11- 位引入必不可少的功能羟基；这就可提供避开国内现有薯蓣皂素工艺路线的瓶颈环氧黄体酮低效的 C11- 羟基化黑根霉发酵步骤。甾醇的发酵降解断侧链，产生 C-17 酮甾体（ AD ， ADD ， 9-OH-AD ）是一个复杂的微生物多酶体系的分解代谢过程，也是甾醇资源的工业生物技术开发领域颇具挑战性的课题（表 2 ）。因此，分离筛选合适的工业微生物菌种，对菌种在遗传学和生理生化，分子细胞水平复杂性问题的研究，以及经由逐级放大考察生物催化及其生物加工过程优化等的实験研究工作，所有这些都属于微生物生物学和生物技术的系统研究与开发复杂性课题研究，不可能一蹴而就。国外已经走过 40 余年开发历程，早在 80 年代就进入工业化水平开发生产 AD 和 ADD ，已经形成 1000t/a 级的全球市场需求量；如进入新世纪以来的德国先令公司（柏林），借助选育的分枝杆菌突变株工业发酵植物甾醇生产 AD 和 ADD ，发酵罐生产规模已达 200 立方米。可见，没有坚实可靠的前期基础研究工作铺垫，匆忙进入工业规模开发，欲要达到技术可行，经济合理的目标是绝对不可能的。表 2. 17- 酮甾体的发酵生产底物（ g/l ）微生物主产物摩尔产率 (%) 羊毛甾 -7 ， 9 （ 11 ） - 二烯 -3 醇（ 0.25 ）分枝杆菌 NRRL B-3805 4 , 8 ( 14)-ADD- 3 , 17- 二酮 30 3 b 乙酰氧 -19- 胆甾 -5- 烯胆甾醇（ 0.5 ） Moruxella sp 雌酮 15 胆甾醇（ 1.0 ）分枝杆菌 NRRL B-3805 睾丸酮 51 麦角固醇（ 0.3 ）分枝杆菌 NRRL B-3805 AD 35 麦角固醇（ 0.3 ）分枝杆菌 NRRL B-3683 ADD 30 - 谷甾醇（ 1.0 ）分枝杆菌 NRRL B-3805 AD 25 - 谷甾醇（ 1.0 ）分枝杆菌 NRRL B-3683 ADD 20 - 谷甾醇（ 1.0 ）分枝杆菌 NRRL B-3805 AD 90 - 谷甾醇（ 5.0 ）分枝杆菌 Mycobacterium sp.VKM Ac-1815D ET1 AD 72 植物甾醇（ 10 ）分枝杆菌 NRRL MB-3683 AD 90 植物甾醇（ 30 ）分枝杆菌 NRRL MB-3683 AD 80 资料来源： Enzyme and Microbial Technology 32(2003)688~705 3. 评论及建议历史的经験值得注意。鉴于当年大兵团作战夹击胰岛素项目的教训，大轰大哄数年后复归于沉寂；冷静思索，总结经験教训后，又重新开始，最终取得了具有哲学意义人工合成牛胰岛素举世嘱目的科学成就。当前的甾醇开发热与当年的胰岛素合成项目很相似，头脑该冷静下来了。建议国内甾体药业企业须得与国内有资质的学术研究机构相关团队真诚合作，脚踏实地走出一条研企合作之路，才可能真正建立起开发利用本土甾醇资源，发展甾醇加工的系统工业生物技术；一步一步地延伸研发链，形成有竞争能力的一个个甾体中间体及化学实体，与国内已有 50 余年甾体药物合成化学工作基础的科学家团队合作，实现化学 - 生物法的完美整合，建立起多样化有自主创新特色的甾体激素药物产品系列。只有这样，方可能稳健地建立起甾醇新资源开发体系可与薯蓣皂素，以及已有一定研究工作基础的待开发的本土皂素资源，蕃蔴皂素和剑蔴皂素相比较的甾体药物生产体系。到那时就可以自豪地宣称，我国实现了从甾体药业大国向强国的过渡。; 个人分类: 科技评论|6838 次阅读|1 个评论

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