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科研资讯 | 牛胃可以降解塑料,且效率更高!

已有 803 次阅读 2021-7-21 11:19 |个人分类:科研资讯|系统分类:论文交流

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科研资讯 - Frontiers in Bioengineering and Biotechnology

奥地利工业生物技术中心 Doris Ribitsch 团队利用奶牛的瘤胃液对三种合成聚酯:聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)和聚呋喃甲酸乙二醇酯(PEF)进行了水解研究,发现在细菌、真核生物和古生菌的共同作用下,胃液可以很好的水解合成聚酯,其中瘤胃液对PEF情有独钟,水解72小时后其水解产物浓度为4.8 mM,PET和PBAT则释放出了0.6和0.75 mM的水解产物。

Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2020 IF: 5.890

在遍布世界的塑料垃圾中聚酯占据重要地位。根据欧洲塑料回收组织协会(EPRO)的统计,2019年欧洲排放的2580万吨塑料垃圾中聚酯约占15%。

在众多塑料垃圾处理方法中,酶水解越来越受到人们的关注,成为解决塑料污染问题的良方。为了找到能分解聚酯的酶,科学家在自然界中进行了广泛搜集,从陆地到海洋,从动物到植物都进行了尝试。

最近,科学家又盯上了奶牛。作为一种食草性反刍动物,牛进化出了四个胃,瘤胃也叫“草肚”,是消化食物的第一站,成年奶牛的瘤胃容积为50~100升,这是迄今已知的降解植物纤维能力最强的天然发酵罐,在这里水解酶先将吃进去的草进行预分解,以便于后面几个胃进行深加工。

因为牛吃进去的草中会含有天然植物聚酯(如角质),说不定从牛的胃液中可以发现能水解聚酯塑料的微生物。

奥地利工业生物技术中心Doris Ribitsch团队利用奶牛的瘤胃液对三种合成聚酯:聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)和聚呋喃甲酸乙二醇酯(PEF)进行了水解研究,发现在细菌、真核生物和古生菌的共同作用下,胃液可以很好的水解合成聚酯,其中瘤胃液对PEF情有独钟,水解72小时后其水解产物浓度为4.8 mM,PET和PBAT则释放出了0.6和0.75 mM的水解产物。

图1. 聚酯降解及瘤胃液微生物群落分析。

研究者从当地屠宰场拿到了瘤胃液后过筛,然后在-20℃冷藏备用。他们选择了三种聚酯:产量最大的PET、可生物降解的PBAT和生物基聚酯PEF。将这三种聚酯粉末和薄膜样品与瘤胃液混合,在40℃和150 rpm的振动器中模拟了瘤胃消化食物的环境,对聚酯进行水解,采用高效液相色谱(HPLC)对水解产物进行分析。

图2. 三种聚酯薄膜样品被瘤胃液水解后的产物分析。

研究者首先进行了瘤胃液中三种聚酯薄膜样品的水解,在72小时后均检测到了水解产物,也就是说瘤胃液可以分解PET、PBAT和PEF,其分解产物浓度分别为0.15、0.5和0.78 mM。

图3. 三种聚酯粉末样品被瘤胃液水解后的产物分析。

在粉末样品水解实验中,研究者发现粉末的水解效率要高于薄膜,同样水解72小时后,PET和PBAT分别释放出0.6和0.75 mM的水解产物,PEF释放的更多,达到了4.8 mM。他们认为影响瘤胃液水解效率的因素很多,聚合物链越柔顺,越有利于酶的吸附和水解。

图4. 在瘤胃液中水解 24、48和72小时后,PET、PBAT和PEF薄膜样品的SEM图像。

研究者对瘤胃液水解后的聚酯薄膜样品进行了SEM分析。由于水解酶的尺寸太大,无法扩散到聚酯薄膜内部,所以水解是从表面开始的。很明显瘤胃液更喜欢“吃”PBAT和PEF,水解24小时后,PBAT和PEF表面就已经变得很粗糙:PBAT薄膜表面可以看到凹槽,而在PEF薄膜上则形成了凹坑,而此时PET表面还比较光滑。

图4. 利用宏基因组分析瘤胃液中的微生物群落。

为了弄清楚瘤胃液中到底是哪种微生物群落最能水解聚酯,研究者从胃液中提取DNA,然后进行宏基因组分析,总共得到了360万个读长和14.8 Gb的DNA数据,采用鸟枪宏基因组学技术对瘤胃液中的微生物群落进行分类,发现在这个“大家庭”中98%的是细菌,1%的是真核生物,0.9%的是古生菌,最后不到0.1%的是病毒。

在瘤胃液98%的细菌中,假单胞菌数量最多,不动杆菌排第二,研究者认为虽然假单胞菌对聚酯水解的功劳最大,但不动杆菌的作用也不能埋没。关于真核生物,已有关于曲霉、青霉和假丝酵母菌水解聚酯的报道。所以,他们认为是瘤胃液中的细菌、真核生物、甚至是古生菌的联手才实现了合成聚酯的水解,并不是一个群落在战斗

小结:为了寻找能分解合成聚酯的微生物,研究者利用瘤胃液对PET、PBAT和PEF三种聚酯进行了水解,发现粉末样品的水解效率要好于薄膜,在40℃下水解72小时后,PET和PBAT释放出了0.6和0.75 mM的水解产物,而PEF被水解的效率更高,释放了4.8 mM的产物。利用宏基因组分析,研究者认为瘤胃液中细菌、真核生物和古生菌的共同作用才是水解合成聚酯的关键所在。


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