聚羟基脂肪酸酯的应用展望

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,简称PHA)是由微生物合成的天然高分子基材料,作为微生物碳源和能源的储备物质。目前,PHA的单体种类有150多种,致使PHA的品种繁多、材料学性质各不相同。PHA具有材料多变性、非线性光学性能、压电性能、气体阻隔性能、热塑性、生物可降解性、良好的生物相容性等特点,使其在塑料包装、化工、医药、农业、生物能源等诸多领域的具有很大的应用前景。文中系统介绍了目前PHA的应用和未来的发展。     

生物材料PHA的发酵与提取工艺改进

聚羟基脂肪酸酯,英文全称为,Polyhydroxyalkanoates,简称就是我们经常说的"PHA",作为细菌合成的一项重要生物聚酯材料,加上自身具有的生物相容性和生物可降解性,PHA已经被广泛应用于生物医学和塑料行业。笔者立足于生物材料PHA的发酵和提取工艺理论基础,结合相关实验经验,对生物材料PHA的发酵与提取工艺改进进行详细论述,以期对我国生物材料PHA的发酵与提取工艺的研究作出一点贡献。     

生产聚羟基脂肪酸酯的微生物细胞工厂

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一类由微生物合成的、生物可再生、生物可降解、具有多种材料学性能的高分子聚合物,在很多领域有着广泛的应用前景。以下从辅酶工程、代谢工程、微氧生产等方面综述了微生物法生产PHA的研究进展,并对利用PHA合成基因提高基因工程菌的代谢潜能进行了讨论。     

嗜水气单胞菌WQ中PHBHHx的合成及其分子基础研究

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoate,PHA)是一系列生物合成的高分子材料,其单体可由多种3-羟基脂肪酸(3-hydroxyalkanoate,3HA)构成^[1]。PHA物理和机械性能的变化很大,从高脆性到弹性体,这跟它们的单体成分有很大关系^[2]。短链和中长链单体共聚的PHA比短链单体或中长链单体聚合得到的PHA有着更好的性能^[3]。在1994年,豚鼠气单胞菌(Aeromonas caviae)FA440被发现能以偶数碳原子数脂肪酸或植物油作为碳源在体内积累PHBHHx^[4]其PHA生物合成基因被成功克隆^[5]。根据亚基数目和底物特异性,PHA合成的关键酶,即PHA合酶或PhaC,被分成了3种类型。A．caviae的PHA合酶属于第1类PHA合酶^[6]。PHA合酶的一些类型含有一些保守的基因序列,该特征可被用于克隆,特别是第Ⅱ类PHA合酶^[2,8]。嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)WQ和A．hydrophila 4AK4是能够合成PHBHHx的另外两种菌株,其中A．hydrophila 4AK4已被用作大规模生产PHBHHx。就目前来说,不管生长条件怎么改变,其合成的PHBHHx中3羟基己酸单体(3-hydroxyhexanoate,3HHx)的含量始终在12％～17％之间变化^[9]。而A．hydrophila WQ合成的PHBHHx中则含有6％～14％ 3HHx。本论文研究了A．hydrophila WQ的PHA生物合成及其分子基础。     

聚羟基脂肪酸酯PHA代谢工程研究30年

聚羟基脂肪酸酯 (Polyhydroxyalkanoate,PHA) 是微生物合成的可降解高分子材料,种类及性能多样,应用前景广阔,然而其大规模生产受制于它较为高昂的生产成本。30年来,代谢工程的应用日益广泛,通过代谢流调控、代谢通路改造引入新通路等方法,微生物合成PHA的效率得到了很大提高,也丰富了PHA的单体种类、结构多样性和底物多样性;同时通过改变细胞形态和PHA颗粒大小等方法实现了更加高效的下游生产处理,降低了PHA生产成本。近年来,基于极端微生物,尤其是嗜盐菌的“下一代工业生物技术” (Next generation industrial biotechnology,NGIB) 发展迅速。NGIB实现了PHA生产过程的开放性和连续性,节约能源和淡水,简化了PHA的生产过程。结合代谢工程技术,盐单胞菌可以作为多种PHA的低成本生产平台,将有望提高PHA的市场竞争力和推进其商业化。     

塑料的降解与可降解塑料——聚羟基脂肪酸酯的合成

近年来,塑料污染的问题始终困扰着人类社会。为了解决不可回收的塑料带来的环境问题,“降塑再造”的理念被提出。“降塑再造”主要包括塑料的降解和塑料的再生。而再生成为可降解的聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)则是实现塑料内循环的一种方式。PHA是一种可由多种微生物合成的生物聚酯,以其特有的生物相容性和可降解性以及热加工性能而被大家所关注。同时利用PHA的多样化的单体组成、加工技术和改性方法,可以进一步改善PHA的性能,产生类型多样、性能各异的PHA材料,也可以创造平衡耐久性和生物降解性的新产品,这些特性使PHA有望成为传统塑料的替代品之一。利用极端微生物进行生产的“下一代工业技术(next-generation industrial biotechnology,NGIB)”可以增加PHA的市场竞争力,为国家碳中和目标顺利实施提供参考。本文综述了各类塑料降解并生产PHA的可能性、PHA材料的基础材料属性、加工和改性方法及获得的新材料、新技术和独特的材料性质。     

聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 及其共混纤维研究进展

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是代表性的生物基可降解高分子,其种类超过150种,性能多样、可调。文中综述了PHA的研究概况及潜在应用,介绍了四代商业化PHA的性质及其与其他生物基可降解材料形成共混纤维的研究进展。     

细菌群体感应参与铜绿假单胞菌胞内聚羟基脂肪酸酯合成的调控

群体感应是细菌根据细胞密度变化调控基因表达的一种调节机制。铜绿假单胞菌中QS系统由lasI和rhlI合成的信号分子3OC12-HSL和C4-HSL以及各自的受体蛋白LasR、RhlR组成,它们以级联方式调控多个基因表达。【目的】研究细菌群体感应(QS)对聚羟基脂肪酸酯合成的调控。【方法】利用铜绿假单胞菌PAO1及其QS突变株为材料通过气相色谱、荧光定量PCR在生理和分子水平上研究QS对聚羟基脂肪酸酯合成的调控。【结果】QS信号分子合成抑制剂阿奇霉素处理铜绿假单胞菌PAO1和QS突变株导致胞内PHA积累量显著减少;铜绿假单胞菌PAO1中C4-HSL合成酶基因rhlI缺失突变株PAO210胞内PHA积累量与野生型无差别;而3OC12-HSL合成酶基因lasI缺失突变株PAO55、3OC12-HSL受体合成酶基因lasR缺失突变株PAO56以及lasI/lasR双缺失突变株PAO57胞内PHA含量与野生型相比明显减少;lasI和lasR的突变株体内PHA合成酶基因phaC1的表达量显著降低,信号分子3OC12-HSL回补实验使phaC1的表达量可恢复到野生株水平,但只可部分恢复lasI缺失导致的胞内PHA合成。【结论】由此推测,铜绿假单胞菌群体感应系统中lasI/lasR系统参与胞内聚羟基脂肪酸酯合成的调控。     

活性污泥合成聚羟基脂肪酸脂的研究进展

聚羟基脂肪酸( PHAs) 是许多原核微生物在不平衡生长条件下合成的细胞内能量和碳源储藏性物质,同时也是一种可完全生物降解的塑料,由于其良好的环境效应及机械性能而受到广泛关注.使用活性污泥合成PHA既能降低PHA的生产成本,又能充分利用活性污泥资源,减少对环境的污染.综述了活性污泥合成PHA的研究进展, 包括合成PHA的主要微生物、碳源及影响PHA积累的因素.     

聚羟基脂肪酸酯的研究进展

微生物合成的聚羟基脂肪酸酯(PHA)近来正向着材料的多样性和生产技术的先进性发展。材料的多样性在多种单体及其分布、分子量、聚合方式等方面越来越细化,形成了PHA组学的概念。而合成生物学技术的应用与蓝水生物技术的出现,有望大幅度降低PHA的生产成本,更有经济性和竞争性。PHA已经有一些商业化的例子;同时,PHA在医药等领域的高附加值也被不断开发出来。     

厌氧发酵液中溶解性有机物对活性污泥合成聚羟基脂肪酸酯影响的研究进展

利用活性污泥微生物将剩余污泥发酵液中的挥发性脂肪酸(Volatile fatty acids,VFAs)转化为聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHA)是目前环境生物技术领域的研究热点。但针对发酵液中非VFAs物质(主要是溶解性有机物,Dissolved organic matter,DOM)对活性污泥合成PHA的影响目前仍未有统一的结论,需要进行较全面的分析和总结。因此,文中首先介绍了剩余污泥发酵液中DOM的主要特性及常见分析方法,然后从微生物学、代谢调控、污泥性质等角度分析了DOM中几种主要组分(多聚糖、蛋白类物质、腐殖质)对活性污泥合成PHA的影响。综合各研究结果表明高浓度DOM不利于PHA的生产,但适量DOM的存在有利于污泥性质的稳定,同时能降低PHA提纯成本。最后提出了相应的策略来实现对活性污泥利用DOM合成PHA的调控,以期为高效利用厌氧发酵液中DOM实现PHA合成提供解决思路。     

利用大肠杆菌工程菌廉价高效生产聚羟基丁酸酯

利用大肠杆菌生产聚羟基脂肪酸酯是近来国际上生物可降解塑料的研究热点,本研究通过对适宜于聚羟基脂肪酸酯生产的大肠杆菌菌株的选择和碳源利用试验,初步确立了大肠杆菌代谢工程改造生产聚羟基脂肪酸酯的基础。并在此基础上,通过对大肠杆菌磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖转移酶系统的改造和工程菌环境诱导系统的应用,解决了大肠杆菌工程菌无法同时利用多种碳源合成聚羟基脂肪酸酯的难题。发酵试验证明,工程化改造的大肠杆菌利用廉价底物在5L发酵罐中分批培养32h后,菌体终浓度能够达到8.24g/L,聚羟基脂肪酸酯占细胞干重的84.6%。     

我国生物基材料的发展和应用状况

近年来，随着石油市场的价格高位波动，国内外加大了对环境和生物技术的投入。环境友好的材料——生物材料．特别是来源于可再生资源的材料得到快速的发展。2006年美国Metabolix公司通过其聚羟基脂肪酸酯（PHA）项目的成功上市以及上市后的良好表现，激发了许多风险投资公司对生物材料项目的积极投入。用工业生物技术，尤其是工业微生物技术可以方便的获得高分子材料，如PHA，或者是用于聚合成高分子材料的单体，如乳酸或丁二酸等。国家科技部重大科技项目“863”、“973”和国家自然科学基金委员会以及国家发展和改革委员会等在2007年都立项对生物基材料进行了支持。     

加强研究推动我国生物降解塑料产业化进程一访清华大学生物系教授、长江学者陈国强

陈困强,清华大学教授,博士生导师,教育部长江学者特聘教授。长期从事“工业微生物、生物塑料和生物燃料”的研究。研究领域及方向：工业生物技术和合成生物学;微生物合成高分子材料聚羟基脂肪酸酯（PHA）;PHA在微生物中生理作用的研究;PHA作为组织工程材料的应用研究;     

重组大肠杆菌转化甘油合成聚3-羟基丙酸-co-乳酸

聚羟基脂肪酸酯作为性质优良的生物塑料,引起了广泛的关注。由于聚羟基脂肪酸合成酶PhaC特异性较强,难以通过生物合成方法获得含乳酸单体聚合物。为了实现乳酸的聚合,PhaC的筛选至关重要。以甘油为底物,通过引入Klebsiella pneumoniae的甘油脱水酶DhaB123及其激活因子GdrAB以及Salmonella typhimurium LT2的丙醛脱氢酶基因PduP,获得3-羟基丙酰辅酶A;通过引入Megasphaera elsdenii DSM 20460的丙酰辅酶A转移酶PCT,获得乳酰辅酶A;并对3种不同聚羟基脂肪酸合成酶的作用进行考察。在Pseudomonas putida的原始酶PhaC1或者PhaC2的作用下,不能实现乳酸的聚合;而在双位点突变(Ser325Thr和Gln481Lys)的PhaC1(STQK)存在条件下,重组菌可以利用甘油合成聚3-羟基丙酸-co-乳酸。经过对溶氧、有机氮源等发酵条件的优化,聚3-羟基丙酸-co-乳酸的产量可以达到0.22g/L,占细胞干重的3.2%,是含乳酸单体聚合物生物合成研究的一次有益尝试。     

PHA生物制造及加工过程进展

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一类全生物可降解的高分子聚酯材料.近年来,随着代谢工程和合成生物学等技术的发展,PHA的微生物发酵生产取得了进一步突破.目前PHA的生物制造体系主要分为传统工业生物技术和下一代工业生物技术.本文从下一代工业生物技术体系比较分析出发,简要综述了PHA生物合成过程强化、PHA分离纯化及改性加工等研...     

中国“生物基材料”研究和产业化进展

本文回顾了我国在生物基材料包括聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚乳酸(PLA)、丁二酸丁二醇共聚物(PBS)及其单体丁二酸、二氧化碳共聚物(PPC)等产业化领域取得的进展。     

具有抗菌效应的聚羟基脂肪酸酯生物塑料的制备与功能表征

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHAs)作为一类新型的生物高分子材料,因其多样的材料性质与高度的生物可降解性日益受到关注。使用乳酸链球菌素(Nisin),一种被公认为安全的天然食品防腐剂,制备了具有高效、持久抗菌效应的PHA塑料。首先采用溶剂浇铸的方法将Nisin整合到正3-羟基丁酸-3羟基己酸共聚酯(PHBHHx),一种具备高度生物相容性的PHA中,从而获得了具有抗菌效应的PHBHHx薄膜。激光共聚焦显微镜观察表明Nisin在PHBHHx中呈颗粒状均匀分布。随后以条件致病菌藤黄微球菌Micrococcus luteus为测试菌株,通过琼脂扩散法,测定PHBHHx薄膜抗菌效应对Nisin含量的依赖关系;在液体培养条件下测量PHBHHx薄膜的Nisin释放效果与抗菌效应。结果表明Nisin可从PHBHHx薄膜顺利释放且Nisin的含量高于25μg/g时即表现出显著的抑菌效果且可长时间维持。该研究为工业化生产具有抗菌效应的PHA奠定了重要的技术基础,拓展了PHA在医学和食品领域的应用潜力。     

利用剩余活性污泥合成聚羟基脂肪酸酯的研究进展

利用单一微生物发酵是现阶段获得聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 的主要方式,但过高的生产成本限制了其大规模应用。近年来利用活性污泥菌群混合培养合成PHA被广泛研究。将剩余污泥处理与PHA合成相结合,不仅可以省去纯培养所必需的灭菌环节,同时可以实现剩余污泥的资源化利用。剩余污泥的水解酸化、菌群富集驯化及PHA合成受环境因素影响,深入的生物合成机制研究有助于混合培养合成PHA的推广应用。文中主要介绍利用剩余污泥合成PHA的可行性、影响剩余污泥水解酸化的因素、污泥菌群富集驯化合成PHA及其机制等方面的研究进展。