聚对苯二甲酸乙二醇酯生物降解的研究进展

塑料广泛存在于人类的日常生活中，在给人们生活带来便利的同时，大量塑料废物也给环境带来很大压力。聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)是一种以石油为原料的高分子热塑性材料，因其具有耐用、透明度高、重量轻等特性，已成为世界上使用最广泛的塑料之一。由于PET具有结构复杂以及难降解的特性，可在自然界中长期存在，不仅对全球生态环境造成严重的污染，而且已经威胁到人类健康。如何对PET废弃物进行降解已成为全球的难题之一，相较于物理法和化学法，生物降解法是目前处理PET废弃物最为绿色环保的方法。本文分别介绍了微生物和生物酶对PET生物降解的研究现状、PET的生物降解途径、PET生物降解机制以及PET降解酶的分子改造等方面的研究，并对如何实现PET的高效降解、寻找和改造可降解高结晶度PET的微生物或酶进行展望，为PET的生物降解微生物或酶的有效开发应用提供理论依据。     

聚对苯二甲酸乙二醇酯降解酶的研究进展

聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)因其良好的耐用性和可塑性,已在世界范围内的工业领域和日常生活中得到广泛应用。目前自然环境中大量PET使用废弃物的积累和迁移给全球生态系统带来了严重负担,因此PET的降解问题已成为全球性的热点问题。微生物酶降解法目前被认为是一种理想绿色PET降解方法,有希望应用于大规模降解PET废弃物降解处理。传统的PET降解酶主要包括脂肪酶、酯酶和角质酶等,但这些酶的PET降解活性相对不高。近期科学家从Ideonella sakaiensis细菌中分离了一种新型水解酶PETase,能够特异性高效降解PET。本文从结构生物学角度对多种PET降解酶进行梳理,重点总结了新近发现的PETase催化机制,为发展改造更有效的PET降解酶提供理论依据。     

聚乙烯醇降解酶研究进展

聚乙烯醇是一种广泛应用的水溶性聚合物,尤其作为纺织浆料。由于其生物难降解性,对水体会造成较大的污染,因此得到较多的关注。对聚乙烯醇生物处理的研究主要集中在生物降解酶和生物降解机理上,特别是随着对环境友好的酶加工纤维技术的不断发展,利用聚乙烯醇降解酶进行纺织脱浆已引起较大的兴趣。已发现的聚乙烯醇降解酶主要包括:聚乙烯醇氧化酶(仲醇氧化酶)、聚乙烯醇脱氢酶、β双酮水解酶(氧化型聚乙烯醇水解酶)。聚乙烯醇降解酶催化聚乙烯醇的生物降解主要分为两步进行。聚乙烯醇酶脱浆技术不仅节省了脱浆能耗,而且提高了脱浆废水的生物可降解性。     

碳水化合物结合模块-嗜热子囊菌角质酶融合蛋白在PET降解中的应用

随着全球经济的发展,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料的生产量大幅提高,其废弃总量也逐年递增。废弃PET处理方法主要包括填埋、焚烧及生物降解等。填埋和焚烧均会造成二次污染,而生物降解因其环境友好特性逐渐成为研究热点。相关研究表明,碳水化合物结合模块(carbohydrate binding module,CBM)可以有效增强PET降解酶对PET的吸附,从而增加降解速率。通过大引物PCR (megaprimer PCR of whole plasmids,MEGAWHOP)技术,将炭疽杆菌(Bacillus anthraci)来源的CBM与嗜热子囊菌(Thermobifida fusca)角质酶(Tfuc)构建融合蛋白Ba CBM2-Tfuc并表征其PET降解性能。在60℃条件下,Ba CBM2-Tfuc降解PET膜的效率是Tfuc的2.8倍。本研究可为构建高效降解PET的融合蛋白提供技术支持。     

聚对苯二甲酸乙二醇酯水解酶研究进展

塑料自20世纪首次合成以来给人类生活带来了极大的便利。然而,塑料稳定的高分子结构导致了塑料废弃物的持续堆积,对生态环境和人类健康均造成严重威胁。聚对苯二甲酸乙二醇酯[poly(ethylene terephthalate),PET]是产量最高的一种聚酯类塑料,近年来PET水解酶的相关研究展现出生物酶法对塑料进行降解、回收的巨大潜力,也为塑料生物降解机制研究建立了参考范例。本文综述了不同微生物来源的PET水解酶及其PET降解能力,阐述了最具代表性的PET水解酶—IsPETase降解PET的催化机理,并总结了近年来通过酶工程改造而获得的高效降解酶,为未来的PET降解机制研究、PET高效降解酶的进一步挖掘和改造提供参考。     

聚对苯二甲酸乙二醇酯水解酶检测方法的研究进展

聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)是应用最广泛的合成聚酯之一。由于PET不易降解,在环境中积累,对陆地、水生生态系统以及人类健康构成严重威胁。基于生物酶催化的生物降解策略为PET回收利用提供了一种绿色途径,在过去20年间,已发现了多种PET水解酶,并通过蛋白质工程等手段来改善这些酶的降解性能,但是目前仍未找到适合大规模工业应用的PET水解酶。利用传统的检测方法筛选PET水解酶是一个缓慢而复杂的过程。为了促进PET酶法回收的工业化应用,需要研发高效的检测方法。近年来,研究人员开发了多种表征PET水解酶的分析方法。本文总结了可用于筛选PET水解酶的检测方法,如高效液相色谱法、紫外吸光度法和荧光激活液滴分选法等,并对其在筛选PET水解酶的应用方面进行了展望。     

聚对苯二甲酸乙二醇酯水解酶IsPETase及其应用展望

随着生物技术的迅速发展,酶解法作为一种绿色可持续的聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)回收处理方案,有望解决全球范围内废弃PET带来的环境污染问题。众多PET水解酶中,来自Ideonella sakaiensis的PETase因其对PET底物的高特异性成为当下研究的热点。基于对酶的结构和功能的深刻理解,本文总结了近年来PETase的工程改造进展,以提高酶的降解活性、热稳定性和对底物的吸附性;介绍了PETase的分泌表达策略、细胞表面展示技术,以及PETase与MHETase双酶系统的应用;最后,我们对塑料生物降解领域存在的挑战及可能的解决途径进行了展望,这些工作将为促进聚合物生物降解的实际应用提供参考。     

聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的生物降解的研究进展

聚丁二酸丁二醇酯(poly(butylene succinate), PBS)是一种人工合成的脂肪族聚酯化合物。PBS的生产成本低、热稳定性好,具有良好加工性能、机械性能以及力学性能等优点。本文就近年来PBS在生物降解方面的研究进展进行了综述,具体包括PBS的生物堆肥降解、PBS的微生物降解以及PBS降解酶的相关研究。最后对PBS生物降解研究进展做出了总结。     

PET水解酶传统与智能分子设计研究进展

塑料由于其耐久性和耐降解性造成的环境污染日趋严重,而塑料废弃物的处理回收方法存在着缺陷。聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate,PET）是应用最广泛的塑料类型之一,但在自然条件下很难被降解。近年来,虽然多种具有PET降解活性的酶被发现,但这些酶的催化活性和热稳定性难以支撑实际工业所需,因此提高PET水解酶的降解能力已成为研究热点而备受关注。脂肪酶、角质酶、IsPETase和IsMHETase是目前研究最为广泛的PET水解酶,就这几种酶的结构、活性特征进行了总结,重点阐述了传统蛋白质工程和人工智能分子设计在增强PET水解酶应用性能方面的研究进展。期望塑料降解酶可以进一步发展优化,为循环塑料经济做出有价值的贡献。     

聚乙烯塑料生物降解研究进展

聚乙烯(polyethylene,PE)塑料是全球通用合成树脂中产量最丰富的品种，也是最难降解的塑料之一，其在环境中大量积累已造成严重的生态污染。传统的垃圾填埋、堆肥和焚烧处理技术难以满足生态环境的保护要求，生物降解是解决塑料污染问题的一种生态友好、成本低廉、前景可期的方法。本文对PE塑料的化学结构、降解微生物的种类、降解酶和代谢途径等方面进行了综述，结合国内外PE塑料生物降解的前沿和热点问题，建议重点开展高效降解菌株筛选、人工合成菌群构建、降解酶的挖掘与改造等方面的研究，为PE塑料生物降解研究提供路径选择和理论借鉴。     

评论：塑料结合模块促进聚对苯二甲酸乙二醇酯的酶法降解

塑料的大量生产和无节制的使用已造成严重的环境污染。为了减少塑料废物对环境的影响,近年来塑料酶法降解已成为国内外研究者关注的热点。例如,通过蛋白质工程策略提高塑料降解酶催化活性和热稳定性,进一步提高酶法降解的效率。另外,通过融合酶策略将塑料结合模块与塑料降解酶融合,也可以促进塑料降解。近期发表在期刊Chem Catalysis的一项研究表明,采用碳水化合物结合模块融合策略可以在低浓度(<10 wt%)的底物聚对苯二甲酸乙二醇酯[poly(ethylene terephthalate),PET]中提高塑料降解酶的活性。但是在高浓度底物(10 wt%−20 wt%)中,该策略无法提高PET的酶法降解。该项研究对于采用塑料结合模块促进酶法降解塑料具有重要的指导意义。     

微生物降解石油烃的功能基因研究进展

微生物对石油烃的降解在自然衰减去除土壤和地下水石油烃污染的过程中发挥了重要作用。微生物通过其产生的一系列酶来利用和降解这类有机污染物,其中,编码关键降解酶的基因称为功能基因。功能基因可作为生物标志物用于分析环境中石油烃降解基因的多样性。因此,研究石油降解功能基因是分析土著微生物群落多样性、评价自然衰减潜力与构建基因工程菌的重要基础。本文主要介绍了烷烃和芳香烃在有氧和无氧条件下的微生物降解途径,重点总结了烷烃和芳香烃降解的主要功能基因及其作用,包括参与羟化作用的单加氧酶和双加氧酶基因、延胡索酸加成反应的琥珀酸合酶基因以及中心中间产物的降解酶基因等。     

微塑料与土壤环境中微生物互作研究进展

作为环境中广泛存在的污染物,微塑料(microplastics)的相关研究备受关注。基于已有研究,本文综合分析了微塑料与土壤微生物(soil microorganisms)的互作关系,微塑料会通过直接或间接的方式影响微生物群落结构与多样性,影响的程度取决于微塑料的类型、剂量和形状。土壤微生物会通过形成表面生物膜和群落选择效应来适应微塑料这一外来物所引起的变化。本文还特别关注了微塑料的生物降解机理,同时探究了影响这一过程的因素,微生物首先会定殖在微塑料表面,分泌多种胞外酶在特定位点发挥作用,将聚合物转化成低聚物或单体,解聚的小分子进入胞内进一步分解代谢,而影响这一降解过程的因素除了分子量、密度、结晶度等微塑料自身理化性质,还包括一些生物因素和非生物因素对相关微生物生长代谢和酶活性的作用。未来研究应注重与实际环境的联系,在深入探究微塑料生物降解研究的同时,开发解决微塑料污染问题的新技术。     

Thermophilic whole-cell degradation of polyethylene terephthalate using engineered Clostridium thermocellum

Polyethylene terephthalate (PET) is a mass-produced synthetic polyester contributing remarkably to the accumulation of solid plastics waste and plastics pollution in the natural environments. Recently, bioremediation of plastics waste using engineered enzymes has emerged as an eco-friendly alternative approach for the future plastic circular economy. Here we genetically engineered a thermophilic anaerobic bacterium, Clostridium thermocellum, to enable the secretory expression of a thermophilic cutinase (LCC), which was originally isolated from a plant compost metagenome and can degrade PET at up to 70°C. This engineered whole-cell biocatalyst allowed a simultaneous high-level expression of LCC and conspicuous degradation of commercial PET films at 60°C. After 14 days incubation of a batch culture, more than 60% of the initial mass of a PET film (approximately 50 mg) was converted into soluble monomer feedstocks, indicating a markedly higher degradation performance than previously reported whole-cell-based PET biodegradation systems using mesophilic bacteria or microalgae. Our findings provide clear evidence that, compared to mesophilic species, thermophilic microbes are a more promising synthetic microbial chassis for developing future biodegradation processes of PET waste.     

细菌降解萘、菲的代谢途径及相关基因的研究进展

多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一类在环境中广泛存在的具有毒性的污染物,微生物降解是其在自然界中降解的主要途径,因而尤为重要。随着研究的深入,关于微生物降解PAHs的分子降解机制、途径等的认识逐渐积累。以下对细菌降解萘、菲的研究进展进行了概述,介绍了萘的水杨酸降解途径,菲的水杨酸、邻苯二甲酸及其他降解途径,同时也包括降解过程中涉及的降解基因簇,如nah-like、phn、phd、nid和nag等以及细菌在PAHs胁迫条件下其他相关基因的表达与调节等方面的最新进展。这些进展可为降解菌株的分子及遗传机制研究提供理论依据,将促进通过基因工程优化降解菌、更有效地检测PAHs环境污染及实现PAHs污染的生物修复。     

酶法催化降解2,4,6-三硝基甲苯的研究进展

2,4,6-三硝基甲苯(TNT)作为一种广泛使用的含能材料,发挥巨大作用的同时也给环境带来了严重的污染,对人类健康构成一定威胁。目前国内外的TNT处置主要有物理、化学、生物及酶法等方法,其中酶法作为一种新兴的方法,显示了良好的应用潜力,受到研究者的广泛关注,。比较了各类处理方法的优缺点,重点介绍近年来涉及TNT降解的酶学研究进展,并对酶法在TNT废水处理和土壤修复中的应用前景进行展望。