中欧组织间合作研究项目MIX-UP助力实现“碳中和”

随着全球塑料循环体系的变革升级,提高塑料的回收利用不仅可以减少塑料在生命周期中的碳排放,还可以解决废塑料潜在的生态环境危害。文中介绍了2019年国家自然科学基金组织间国际 (地区) 合作研究项目“废塑料资源高效生物降解转化的关键科学问题与技术 (MIXed plastics biodegradation and UPcycling using microbial communities,MIX-UP)”。该项目聚焦“塑料污染”这一全球化的问题,围绕中欧双方确定的“塑料生物降解菌群”研究领域,联合中欧双方14家优势科研单位,开展实质性的重大前沿合作研究。针对废塑料生物降解中存在的解聚与重塑两个难题,项目以难降解石油基塑料 (PP、PE、PUR、PET和PS) 以及生物可降解塑料 (PLA和PHA) 的混合废塑料作为研究对象,从塑料微生物降解途径解析及关键元件的挖掘与改造、塑料高效降解混菌/多酶体系的构建与功能调控、塑料降解物的高值化炼制途径设计与利用策略3个方面展开研究。本项目将突破废塑料生物降解转化中高效降解元件挖掘、塑料降解物高值化利用的关键科学问题与技术,探索一条废塑料资源化、高值化、循环化、低碳化的新塑料循环路线,建立以“降塑再造”为核心理念的废塑料生物炼制体系,丰富我国固废资源化生物技术利用平台。项目的实施不仅有助于提升我国塑料 (生物) 循环经济的理论基础和关键技术水平,还可以推动我国与国际科研院所的多边交流与合作,促进我国在生物技术领域的创新发展,助力我国碳中和目标的实现。     

聚乳酸塑料合成、生物降解及其废弃物处置的研究进展

随着国内外禁塑令和限塑令的升级,以聚乳酸(polylactic acid, PLA)为代表的生物基塑料成为传统石油基塑料市场的主要替代品,备受产业界的青睐。然而,公众对生物基塑料的认识仍存在诸多误解。事实上,生物基塑料的降解需要在特定条件下才能实现,泄入到自然环境中同样难以降解,会对人体、生物多样性和生态系统功能造成危害,这与传统石油基塑料相似。近年来,随着我国PLA产能和市场规模不断的提高,亟需进一步加强对PLA等生物基塑料降解性能的认识,挖掘PLA生物降解资源,关注和研究生物基塑料回收处理模式。基于上述背景,本文首先介绍了PLA塑料的性质及合成方式,以及PLA塑料的产业化与市场规模;其次,对目前聚乳酸塑料微生物与酶法降解的研究进展进行了综述,并对其生物降解机制进行了探讨;最后,提出了微生物原位处理和酶法闭环回收两种聚乳酸塑料废弃物生物处置方法,并对PLA生物基塑料的发展前景和趋势进行了展望。     

PET塑料废弃物及微塑料生物降解与转化的研究现状与展望

塑料工业的发展在给人类社会带来方便的同时,也导致大量的废旧塑料垃圾不断产生,给全球生态系统带来了严重的负担.我国是塑料生产和消费大国,在塑料的研究和治理等方面都面临空前的国际舆论压力,近年来,我国相继推出一系列限塑禁塑政策,发展高效塑料降解策略已成为生态、环境、能源等领域发展的迫切需求.聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是...     

石油污染微生物修复技术研究进展

石油污染是我国目前陆地和海洋面临的主要污染问题之一,尽管以微生物为主体的原位修复技术在以往的实践中取得了良好的效果,但随着石油污染形式的严峻,微生物修复技术依然面临着巨大的挑战。随着石油降解微生物资源库的不断累积和研究手段的发展,人们对微生物石油降解机制有了更加深入的研究,为提高微生物修复技术的应用范围和应用效果奠定了良好的基础。从石油污染与技术应用趋势、石油降解微生物聚类分析、石油微生物降解的分子机制、石油污染的微生物修复技术几方面总结和梳理了国内外近期的研究进展,以其为迎接新的挑战提供抓手。     

塑料生物降解检测方法的研究进展

塑料处理不当造成的污染问题已成为全球性难题。目前的解决办法除回收利用与使用可生物降解塑料替代之外,最主要途径仍是寻求高效的塑料降解方法。其中,采用微生物或酶处理塑料的方法因其具有条件温和、不产生次生环境污染的优势而受到越来越多的关注。塑料生物降解技术的核心是高效解聚微生物/酶,然而当前的分析检测方法无法满足塑料生物降解资源的高效筛选,因此开发准确、快速的塑料降解过程分析方法,对于生物降解资源筛选和降解效能评价具有重要意义。本文介绍了近年来在塑料生物降解领域的常用分析检测技术,包括高效液相色谱、红外光谱、凝胶渗透色谱以及透明圈测定等,重点讨论了荧光分析策略在快速表征塑料生物降解过程中的应用,为进一步规范塑料生物降解过程的表征与分析研究,以及开发更高效的塑料生物降解资源筛选方法提供借鉴。     

地膜降解途径及机理研究进展

我国地膜使用量已占农业塑料薄膜使用量的半数以上,其大规模使用在带来巨大经济价值的同时也造成了“白色污染”,残膜难回收、难降解,直接影响土壤的再生能力。本文综述了我国地膜使用现状及其降解方面的研究进展,分别对地膜降解的生物与非生物途径和机理进行了概括,重点分析了非生物降解途径中光催化、金属离子掺杂等对聚烯烃降解的协同效应,以及生物降解途径中不同来源的菌和酶对聚烯烃降解效率的影响,并展望未来发展出更为高效的地膜降解方式,为后续地膜降解及环境中微塑料的降解研究提供参考。     

聚乙烯塑料的微生物降解

聚乙烯(polyethylene,PE)是产量最大的通用塑料之一,通常被加工成一次性包装材料(包括塑料袋及容器)和农用薄膜等。PE塑料的广泛应用导致大量PE废弃物的累积,对生态环境造成严重的威胁。自20世纪70年代以来,一些研究陆续报道了PE塑料被微生物降解的现象,并从土壤、海洋、垃圾堆置点及昆虫肠道等生境中分离筛选到了若干种具有一定PE塑料降解能力的菌株,而且发现一些单加氧酶、过氧化物酶和漆酶等氧化还原酶对PE塑料具有氧化降解能力。这些研究为发展PE塑料废弃物生物降解处理技术提供了一定的依据。本文总结和分析了PE塑料降解微生物的分离和筛选方法,以及已报道的PE塑料降解微生物和降解酶的研究进展,以期为进一步研究PE塑料的微生物降解机理和处理技术提供参考。     

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。     

塑料添加剂向生态环境中的释放与迁移研究进展

塑料废弃物,尤其是粒径小于5 mm的微塑料造成的环境污染问题已引起全球的普遍关注。塑料制品在生产过程中常使用多种添加剂,以提高聚合物的性能并延长其使用寿命。然而,在废弃塑料制品的回收及自然老化过程中,这些添加剂会不断释放出来,对生态环境的安全与人类的健康产生威胁。综述了近年来国内外塑料添加剂的使用情况及其向生态环境释放与迁移等方面的研究进展,具体包括常用塑料添加剂的种类、废弃物塑料回收和塑料老化过程中添加剂向生态环境中的释放与迁移及机制等。未来需要更加关注绿色塑料添加剂的研发、废弃塑料回收工艺的改进以及关于塑料添加剂的释放、在各类环境介质中的迁移转化以及在生态系统各个圈层间的相互作用方面的系统性的研究,并构建相应的迁移模型评估塑料添加剂产生的生态风险。     

生物育种研发及产业化发展态势分析

<正>在粮食安全保障的国家战略需求、传统育种技术的发展瓶颈和激烈的跨国种业竞争面前,我国的生物育种研发和产业化面临着严峻的挑战和创新发展的战略机遇。文章拟通过对生物育种研发及产业化发展态势的分析,为我国加强农业科技及相关产业支撑提供参考。     

生物降解地膜应用与地膜残留污染防控

地膜是农业生产中重要的生产资料之一,过去30多年,地膜用量和农作物覆膜面积一直稳定增长,2014年地膜用量达到了144万t,覆膜面积超过1 800万hm~2,该技术对保障我国农产品安全供给作出了重大贡献。与此同时,地膜残留污染问题越来越严重,一些农田的地膜残留量超过250 kg/hm~2,在我国西北的局部区域,地膜残留已经对农田土壤、作物生长发育、农事作业等造成严重影响和危害。生物降解地膜成为替代普通PE地膜、解决地膜残留污染的一种有效措施和手段,目前生物降解地膜正处于产品研发和评价试验的关键阶段,部分生物降解地膜产品在马铃薯、花生、烟草生产上显示出良好的效果,但总体上还面临巨大挑战,主要包括需要进一步提高地膜产品质量,提高地膜产品破裂和降解可控性,改善地膜的增温保墒能力,实现满足农作物对地膜覆盖功能的要求;此外,需要降低生物降解地膜综合成本,促进生物降解地膜规模化应用。总体上,随着技术进步和农业生产环境的变化,生物降解地膜应用将具有良好的前景。     

聚氨酯塑料的微生物降解

未被合理处置的废塑料污染已成为全球性的环境问题,探索塑料废弃物的无害化处理技术势在必行。近来,研究证实了自然界中存在可以降解塑料的微生物及酶。利用微生物或酶对废塑料进行生物处理成为可能。聚氨酯塑料(Polyurethane,PUR)是广泛应用的通用塑料之一,其废弃物量已占到所有废塑料总体积的30%。文中将PUR塑料发明应用70年来有关微生物降解的研究进行了全面综述,对PUR塑料降解真菌、细菌、降解基因与酶、降解产物及相关的生物处理技术系统等进行了总结与分析,并对实现PUR废塑料高效生物处理需解决的关键科学问题进行了展望。     

Recent advances in biodegradation in China: New microorganisms and pathways,biodegradation engineering,and bioenergy from pollutant biodegradation

We are facing serious environmental challenges, and environmental biotechnology is an enabling technology to reduce or eliminate pollution. In recent years, environmental pollution in China has been receiving great attention, and this paper provides an up-to-date review on progress in biodegradation research in China. This progress includes the isolation of extremophilic microorganisms for pollutant degradation in extreme conditions and the study of genes and enzymes related to biodegradation pathways. Biodegradation engineering has potential as an interesting and powerful platform, where genetic engineering, process engineering, and signal transduction engineering are applied together. In addition, pollutant treatment combined with the production of renewable sources of bioenergy by microorganisms is attractive.     

微生物燃料电池在环境污染治理研究中的应用进展

近年来,微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)研究得到了迅速发展。由于可以将可生物降解有机物的化学能直接转化为电能,MFCs在环境污染治理及生物产电方面具有良好的应用前景。本文将全面介绍和总结MFCs在环境污染治理中的研究及应用,其中包括脱氮、脱硫、有机污染物降解、重金属污染治理以及垃圾渗滤液处理等方面。此外,本文还提出MFCs在研究及应用过程中存在的主要问题,并对其研究前景进行展望。     

Plastic value chain and performance metric framework for optimal recycling

Despite the promotion of plastic recycling to sustainably manage plastic waste and advance the circular economy, existing plastic recycling systems globally are largely experiencing low performance and growth. To transition to world-class plastic material recycling and circularity, defining the metrics that impact the performance of a plastic recycling system is crucial. Bringing together existing literature, this study developed a conceptual framework, comprised of eight key performance metrics, for benchmarking recycling success or assessing the degree to which the performance of any plastic recycling system is optimal. Through a value chain approach, the specific performance metrics relevant to each stage of the plastic recycling system, their objectives, and the actors characterizing the system were analyzed in detail. Also, specific maturity models were developed to measure the performance of any plastic recycling system. This framework provides essential knowledge for related stakeholders to inform further development of plastic recycling and a circular economy.     

Recent Advances in Sustainable Plastic Upcycling and Biopolymers

Advances in scientific technology in the early twentieth century have facilitated the development of synthetic plastics that are lightweight, rigid, and can be easily molded into a desirable shape without changing their material properties. Thus, plastics become ubiquitous and indispensable materials that are used in various manufacturing sectors, including clothing, automotive, medical, and electronic industries. However, strong physical durability and chemical stability of synthetic plastics, most of which are produced from fossil fuels, hinder their complete degradation when they are improperly discarded after use. In addition, accumulated plastic wastes without degradation have caused severe environmental problems, such as microplastics pollution and plastic islands. Thus, the usage and production of plastics is not free from environmental pollution or resource depletion. In order to lessen the impact of climate change and reduce plastic pollution, it is necessary to understand and address the current plastic life cycles. In this review, “sustainable biopolymers” are suggested as a promising solution to the current plastic crisis. The desired properties of sustainable biopolymers and bio‐based and bio/chemical hybrid technologies for the development of sustainable biopolymers are mainly discussed.