聚丁二酸丁二醇酯(PBS)生物降解的研究進展

胡雪巖，毛海龍，蘇婷婷，王戰勇

(遼寧石油化工大學化學化工與環境學部，遼寧撫順113001)

聚丁二酸丁二醇酯(PBS)生物降解的研究進展

胡雪巖，毛海龍，蘇婷婷，王戰勇*

(遼寧石油化工大學化學化工與環境學部，遼寧撫順113001)

聚丁二酸丁二醇酯(poly(butylene succinate)，PBS)是一種人工合成的脂肪族聚酯化合物。PBS的生產成本低、熱穩定性好，具有良好加工性能、機械性能以及力學性能等優點。本文就近年來PBS在生物降解方面的研究進展進行了綜述，具體包括PBS的生物堆肥降解、PBS的微生物降解以及PBS降解酶的相關研究。最后對PBS生物降解研究進展做出了總結。

聚丁二酸丁二醇酯;生物降解;降解酶

聚丁二酸丁二醇酯(poly(butylene succinate)，PBS)是以1，4-丁二酸和1，4-丁二醇為原料聚合而成的脂肪族聚酯，分子式結構為HO-(CO-(CH2)2-CO-O-(CH2)4-O)n-H。PBS呈白色或乳白色，無嗅無味，在環境中可被微生物降解利用，是一種新型生物降解高分子材料。PBS可以利用石油原料合成，亦可通過微生物發酵生產獲得［1］。PBS具有良好的材料力學性能，可以滿足通用塑料的使用要求。目前PBS已被應用于塑料外殼包裝、玩具填充物、食品包裝、一次性餐具、一次性醫療用品、生物醫用高分子材料等領域［2-5］，也可用作體內植入材料、農田覆膜、大棚用膜和緩釋肥料等［6］。PBS優良的物化性質和熱穩定性能使其在正常儲存和使用過程中非常穩定，并且PBS的生物降解性良好，可以在堆肥等接觸微生物的條件下完全降解［7］。目前，有關PBS的研究主要集中于PBS的合成及改性方面，但是PBS在改性或制成產品后，在自然界中往往降解緩慢且存在特殊性，因此在進行PBS及其改性共聚物生產和開發的同時，PBS生物降解的重要性開始受到了關注，相關研究領域也取得了一些進展。

1 PBS生物降解研究現狀

1.1 PBS的生物堆肥降解研究

堆肥降解技術是一種有效的有機廢物資源化手段，也是有機固體廢物處理的有效方法。近年來國內外科研人員開展了大量堆肥法處理PBS等生物降解塑料的研究，這些材料均表現出良好的可堆肥性能［8］。許國光等［9］采用堆肥降解PBS薄膜的研究發現，PBS在堆肥初期會生成水溶性酸性產物，進而使得介質酸化并對微生物的生長具有抑制作用。但隨著微生物生長速率的增加可解決這一問題，這與微生物對水溶性產物的不斷同化吸收，pH值逐漸回升有關。寇瑩［10］進行了PBS薄膜在垃圾土、污泥土、花園土、堆肥土中進行土埋法降解試驗，通過失重率和表面形態觀察發現，降解率從大到小的順序是堆肥土＞污泥土＞垃圾土＞花園土，從PBS薄膜表面形貌變化觀察還發現，土壤中微生物是通過侵蝕薄膜側邊來進行降解的。寇瑩［11］在土壤懸浮液中對不同端基結構PBS的降解進行了研究，發現PBS的端基結構會對PBS的降解性能產生影響，羧基端PBS結構親水性大，極性強，降解容易發生。Way等［12］通過不同的設計樣式與通氣方式的堆肥反應瓶對高分子材料生物降解性研究發現，采用良好的通氣方式和較好結構設計的堆肥反應瓶能使高分子材料的生物降解率由72%提高到81%。Kim等［13］利用生物堆肥法對PBS進行降解研究，發現在自然環境中經80 d后的堆肥降解率僅為12%左右。在實驗堆肥中加入稻殼粉可使PBS的降解率有所提高，80 d后降解率提升至17%，研究還發現隨著稻殼粉量的增加，PBS降解率隨之升高，堆肥土壤中的微生物量也隨之增加。在堆肥條件下檢測PBS的生物降解性能，PBS比表面積不同PBS的降解速率也不同。謝寶君等［14］根據國際堆肥化標準ISO14855比較粉末、薄膜和顆粒三種形態PBS的堆肥降解能力，發現降解速率的順序是粉末＞薄膜＞顆粒。趙劍豪等研究堆肥條件下PBS的降解情況，將180 g干燥堆肥和30 g干燥PBS試樣在堆肥容器中進行實驗，結果表明:粉末經過40 d其降解率可達75%，而薄膜要經過90 d降解率才能達到60.7%，顆粒的降解則更為緩慢。并且發現堆肥中降解PBS最有效的微生物是Aspergillus uersicolor［15］。從堆肥土壤中篩選到的能夠降解PBS的菌株涵蓋細菌、真菌和放線菌等主要微生物種類，其中降解性能最好的是真菌［16］。

1.2 PBS的微生物降解研究

由于PBS及其共聚物廣泛的應用，使得PBS的微生物降解也逐漸被人們所關注。目前國內外對PBS降解菌的研究已經取得一些成果。梅雪麗等［17］從蔬菜地微環境空氣中篩選分離得到真菌菌株Bionectria ochroleuca BFM-X1，該菌株在溫度25～30℃、pH 4.0的條件下對PBS薄膜降解16 d后可使PBS的降解率達到97.9%。此外，該課題組還對PBS降解菌Fusarium oxysporum DSCF-8進行誘變，得到F oxysporum DSCF-8的突變株對PBS薄膜進行降解，此降解率較出發菌株提高了34.49%［18］。孫琪等［19］采用雙層培養基分離得到的PBS降解菌株Alternaria sp.，在25℃、pH 4.0，1.0%(質量分數)條件下對PBS薄膜降解18 d，發現該菌對PBS薄膜的降解率可達87.95%。余莎莎等［20］從活性污泥中獲得PBS降解菌Rhodcoccus sp.HX01，在30℃、pH 8.0條件下培養14 d，發現PBS顆粒表面色澤相比降解前有明顯變化，而PBS顆粒的降解率達到13.75%。李凡等利用從活性污泥中分離出的PBS降解菌株A.versicolor DS0503-a，根據實驗結果對比選育出具有PBS降解能力的菌株DS0601和DS0401，并進行混菌用于降解PBS。研究結果表明，在不同菌株共同作用下，PBS的降解速率比單菌株作用下速率高，說明混菌條件有利于PBS的降解［21］，通過篩選堆肥后土壤中的菌株并比較其生長量發現，A.versicolor菌株是堆肥條件下降解PBS最有效的菌株。Ishii等［22］以PBS乳化液作為唯一碳源篩選出的PBS降解菌株被證實是A.fumigatus NKCM 1706。在土壤環境30℃條件下堆肥30 d，可使PBS薄膜降解率達到80%。Abe等［23］從農田土壤中分離出F.solani菌株，定量PCR分析表明，菌株YB-6在未消毒的土壤環境中生長被抑制，在土壤環境中降解PBS，14 d后的降解率僅為2.8%，而本身不能夠降解PBS的Stenotrophomonas maltophilia YB-6與該菌株可協同促進PBS的降解。董騫等［24］通過紫外線誘變Alternaria sp.HJ03菌株獲得1株降解能力強的HJ10突變株，降解最適溫度25～30℃、最適pH 5.0，突變菌株HJ10對PBS薄膜的降解率比出發菌株HJ03提高了14.4%，且HJ10突變株連續繼代培養7代，其降解能力仍可以穩定遺傳。張敏等［25］從西安花園土和昆明農田腐殖土中提取了浸提液作為降解介質，并比較了兩種土壤中不同微生物對PBS的降解行為。結果表明:發現PBS在第5天開始降解，且在第10～30天降解速度最快。在昆明腐殖土中PBS膜降解兩個月后的質量損失達到42%，其降解效果大約是西安花園土的9倍。研究發現在花園土壤中，真菌對PBS起著主要的降解作用，而腐殖土中，放線菌對PBS起著主要的降解作用。其后對花園土中的細菌和真菌進行了分離，初步鑒定為Bacillus屬、Pseudomonas屬和Mucor屬。對昆明土壤中細菌和放線菌進行了分離，初步鑒定為Pseudomonas屬和Streptomyces屬。之后采用濾紙片法從西安郊區土壤中分離出可有效降解PBS的菌株P.aeruginosa，經該菌株降解30 d的PBS的數均分子量由8.34 w下降到6.69 w，數均分子量下降了19.80%［26］。白俊巖等［27］從石油污染過的土壤中篩選到1株具有PBS降解能力的菌株P.aeruginosa PBS1302，該菌株在培養溫度37℃，培養基起始pH 6.8的條件下經6 d的培養，對PBS薄膜的降解率可達36.9%。電鏡觀察顯示，與降解前相比，PBS薄膜表面變得粗糙，出現了明顯的蝕刻痕跡。

表1 已見報道的一些PBS降解微生物Table 1Some reported PBS-degrading microorganisms

1.3 PBS解聚酶的研究

通過對PBS解聚酶的深入研究，可以進一步了解PBS生物降解機理，更進一步的促進PBS生物降解技術及循環再利用技術的發展。Kitamoto等［28］從稻葉上篩選出能夠降解PBS的菌株P.antarctica，并從該菌株中分離得到了一種分子量為22 kDa的酯酶，在以4-硝基苯丁酸酯(p-NPB)為底物時測得該酶的酶活力為(715.33±124.44) U/mg。Maeda等以PCL、PBS的乳化液作為唯一碳源，培養菌株A.oryzae，由此獲得一種分子量為21.6 kDa的PBS解聚酶。但是酶的N-末端氨基酸序列不能確定。研究還發現PBS與該解聚酶的親和性是由底物中羧酸上的碳鏈長度大小決定，解聚酶在羧酸和羥基位點上起到催化作用［29］。Araujo等通過對來自菌株Fusarium sp.的角質酶進行修飾，通過定點誘變，在活性位點加入一個四面體中間物使蛋白自由能降低，活性區間增大，最終獲得修飾后的角質酶L182A，L182A的突變不影響其吸附水平，對PBS的降解活性是修飾前的兩倍。這種酶可以修改這些纖維物質的能力是由于聚酰胺結構與角質和角質酶的相似性使得其能被多元化底物識別［30］。Akutsu-Shigeno等［31］從Paenibacillus amylolyticus TB-13菌株中克隆并在E.coli表達獲得PlaA解聚酶，亦能夠降解PBS等聚合物，經檢測發現表達的PlaA解聚酶是一種酯酶，該解聚酶基因可編碼210個氨基酸，該酶同Bacillus stearothermophilus分泌的酯酶有著45%～50%的相似度。Shinozaki等［32］在甘油液體培養基中培養Pseudozyma antarctica，溫度30℃，時間2 d，并在其中分離純化出一個由198個氨基酸組成的近角質酶PaE，與角質酶有61%～68%的相似性，PaE對乳化PBSA的比活度為(54.8±6.3)U/mg。能夠有效降解PBS等聚合物［32］。Uchida等將Acidovorax delafieldii BS-3A菌株的PBS降解酶基因上的pbsA進行克隆，并在Escherichia coli中有效的表達。將重組體導入E.coli JM 109，對于重組后的E.coli篩選出能顯示出PBS降解酶的活性菌株。但該降解酶并不具有在其他塑料降解酶中普遍存在的富含疏水氨基酸殘基的區域，該降解酶屬于酯酶。根據氨基酸同源性比較發現該PBS降解酶與一些來源于Mollaxella sp.和Streptomyces sp.的酯酶具有一定的相似性，但在酯酶特有活性部位的是Ser殘基(Gly-X1-Ser-X2-Gly)，并且PbsA的X1位置是Trp，并不是其他細菌酯酶常見的His殘基［33］。Masaki等發現Cryptococcus sp.S-2菌株可分泌出一種分子量為20.9 kDa的近角質酶，該酶的基因序列包含720個核苷酸，研究還發現該蛋白的氨基酸序列與角質酶有12%～20%的相似度。酶降解反應以50 r/min在30℃條件下連續搖動10 d，能夠降解PBS［34］。Shah等從Roseateles depolymerans TB-87菌株中分離純化出兩種酶Est-H和Est-L。在PBS乳液瓊脂平板上相比于Est-L和Est-H的活性更高。兩種酶也可以降解薄膜形式的聚酯，但是芳香族共聚酯薄膜的降解速度比脂肪族聚酯要慢。利用液相色譜和質譜對兩種酶的降解產物進行分析，發現菌株TB-87和它的酶表現出降解脂肪族共聚酯的能力。說明這兩種酶能夠很好地降解PBS［35］。李成濤等［36］從菌株P.aeruginosa ZM-P1中分離出一種屬于脂肪酶的PBS降解酶，并對其催化性能及生化性質進行研究。經過SDS-PAGE電泳鑒定為脂肪酶。經研究發現60℃和9.0分別為該脂肪酶的最適溫度和最適pH，并且適量加入Mg2+可促進其酶活力的提高，但Ca2+和EDTA對其有明顯抑制作用。最后對降解前后的PBS進行觀察，發現PBS結晶度、熱穩定性、重均分子量以及數均分子量均下降，說明該菌株對PBS有較為明顯的降解效果。

表2 一些已見報道的PBS解聚酶Table 2Some reported PBS depolymerase

2 PBS共聚物生物降解研究

隨著各行業的發展，塑料需求量日益增多，PBS的應用也更為廣泛。隨著對PBS研究的不斷深入，其缺點也隨之出現。如:結晶度較高、力學加工性能不能滿足某些需求等，阻礙了PBS進一步應用。為解決這些問題，出現了一些PBS的改性材料。利用物理或化學改性尤為常見，是將PBS同其他材料進行共混或共聚合成新的高分子材料即為PBS的改性材料，比如:PBSLA(Poly (butylene succinate-co-lactic acid))是PBS與低聚乳酸共混;PBSA是丁二酸-丁二醇與己二酸-丁二醇共聚;此外還有PBS/PEA共混復合物、PBS/淀粉共混復合物等。趙劍豪等［37］研究發現在堆肥條件下雜色曲霉菌A.versicolor是降解PBSA和PBS能力最強的微生物，PBSA薄膜的生物降解性能比PBS更強，且降解速率更快。Hayase等從PBSA降解產物的核磁共振(NMR)分析發現，己二酸單元快于1，4-丁二醇和琥珀酸單元的降解。這應該是PBSA比PBS降解更快的原因之一。研究還發現PBSA的降解能力隨著PBSA中丁二酸-己二醇酯與丁二酸丁二醇酯配比的不同有很大變化。當丁二酸含量為75%，具有同PBS相似的降解性能，PBSA有著較低的結晶度和熔融溫度。但是隨著丁二酸丁二醇酯含量的升高，降解的效果隨之變差［38］。Phua等用馬來酐接枝作為相容劑將PBS與蒙脫土(organomontmorillonite，OMMT)進行共混來改善PBS的性能，在受控條件下的天然有機腐殖質堆肥土壤中土埋180 d。通過凝膠滲透色譜法(GPC)、傅立葉變化的化學結構變換紅外光譜(FTIR)掃描電子顯微鏡(SEM)檢測并觀察該納米復合材料的生物降解性。發現在土壤環境中，純的PBS比PBS/OMMT共混材料的降解率要高，但是PBS的拉伸性能、力學性能等機械性能均不如PBS/OMMT。在PBS/OMMT材料中加入MA(馬來酸酐)后，機械性能要優于PBS，而且PBS/OMMT/MA材料的降解性能接近PBS［39］。在Ti系催化劑的條件下將PBS和聚丁二酸二硫乙烯醇酯(poly(thiodiethylene succinate)，PTDGS)共混制成PBS/PTDGS復合材料，通過對樣品進行熱分析(DSC)測量以及NMR，結果表明該復合材料的熔點、結晶度均低于PBS，但PBS/PTDGS的降解速率要高于PBS，這是由于含有TDGS的區域且水解酶主要作用于無定型態［40］。Jin等通過原位聚合法將0.03～0.5wt%的石墨烯填充到PBS中獲得PBS/GO納米復合材料。通過拉曼光譜、熱重分析(TG)、FTIR、SEM等進行表征，發現石墨烯對PBS有很大的成核作用，使其結晶溫度、斷裂伸長率、拉伸強度、降解速率均獲得顯著提高，但是結晶球的大小相應降低。并且發現PBS/GO納米復合材料的降解能力比PBS要高［41］。利用PBS同聚Z-L賴氨酸共混得到新的材料的相關物化性能并沒有太大的改變，但共混后PBS的降解能力增強，結晶度降低。故共混后的材料也可以作為可降解材料［42］。

3 小結

環境污染日趨嚴重，可降解塑料的重要性勿容置疑。PBS作為塑料家族的新成員在生物降解方面的研究鮮有報道，針對其降解酶和降解機理的研究更少。因此，在今后的研究中，分離降解菌株和降解酶以及深入研究降解機理勢在必行。隨著綠色塑料市場需求的增加，生產PBS類生物降解性聚酯產業的規模將會進一步擴大，需要在實際生活中建立完善的PBS循環處理系統。

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Advances in Biodegradation of Polybutylene Succinate(PBS)

HU Xue-yan，MAO Hai-long，SU Ting-ting，WANG Zhan-yong
(Coll.of Chem.，Chem.Engin.＆Environ＇l Engin.，Liaoning Petrochem.Uni.，Fushun 113001)

Polybutylene succinate(poly(butylene succinate)，PBS)is a synthetic aliphatic polyester compound.PBS possesses low production costs，good thermal stability，good processing properties，mechanical properties and mechanical performance.The advances in biodegradation of PBS in recent years were reviewed in this paper，including PBS biodegradation compost，PBS microbial degradation and PBS degradable enzyme.Advances in PBS biodegradation studies were finally summarized.

polybutylene succinate(PBS);biodegradation;degradable enzyme

Q939.97;TQ316.6

A

1005－7021(2016)04－0084－06

10.3969/j.issn.1005－7021.2016.04.015

國家自然科學基金項目(31570097);遼寧省高等學校杰出青年學者成長計劃(LJQ2014040)

胡雪巖女，碩士研究生。研究方向為化學工藝。Tel:024-56861705，E-mail:1354031479@qq.com

*通訊作者。男，博士，教授。主要從事可生物降解塑料研究。Tel:024-56861705，E-mail:wangzy125@gmail.com

2015-09-08;

2016-01-09