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。     

降解石油基塑料的微生物及微生物菌群

伴随着环境污染的日益严重,处理"白色污染"成为人们面临的一个棘手难题,而各种合成塑料因为应用广泛且很难降解成为其"主要元凶"。利用自然界存在的或者是进化产生的微生物可降解合成塑料是一种环境友好型的策略。以国家自然科学基金国际(地区)合作和交流(中欧组织间合作研究NSFC-EU)项目"合成塑料降解转化微生物菌群"为基础,总结近年来筛选到的能够降解合成塑料,如聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)、聚氯乙烯(Polyvinyl chloride,PVC)、聚氨酯(Polyurethane,PUR)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)的纯细菌、纯真菌及微生物菌群的研究状况,分析了各种微生物在石油基塑料降解中的作用,讨论了微生物及其降解酶对合成塑料降解研究的优缺点。     

面向有机污染物消除的“微生物、植物、电”多效耦合作用机制及低能耗型修复技术

中欧合作项目"面向有机污染物消除的‘微生物、植物、电’多效耦合作用机制及低能耗型修复技术"是由中国国家自然科学基金委和欧盟共同资助的重大国际合作项目。该项目研究领域属于环境生物技术,研究团队包括5个中方单位和17个欧方单位,项目主要围绕新有机污染物的生物降解过程和机制、低能耗生物修复技术开展研究工作。项目执行2年来,在降解污染物的微生物资源、弱电介入增效生物降解和强化电子传递、微生物3D打印等方面取得了阶段性成果的同时,项目团队还开展了有效的交流和实质性合作。未来,项目团队将克服新冠疫情影响,强化中欧双方团队内部和团队之间的合作交流,全面实现项目科学目标,圆满完成国际合作任务。     

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。     

塑料的生物降解与转化专刊序言

合成塑料已广泛应用于国民经济各领域,是国民经济的支柱产业。然而,不规范生产、使用塑料制品以及处置塑料废弃物等问题,造成塑料在环境中长期累积,导致了严重的环境污染和碳资源浪费。生物降解是实现废塑料污染治理与资源化的新途径,已成为国内外废弃塑料处置研究的热点。近年来,在塑料降解微生物/酶资源的分离、筛选、鉴定以及对其进行工程化改造等方面取得了重要突破,为环境中微塑料的治理、废塑料的闭环循环再生提供了新的思路和方案。另一方面,利用微生物(纯菌或菌群)将塑料降解产生的单体进一步转化为生物可降解塑料及其他具有高附加值的化合物,对于解决废塑料的生态环境污染、推动塑料循环经济发展以及减少塑料在生命周期中的碳排放等方面具有重要意义。《生物工程学报》特组织出版“塑料的生物降解与转化”专刊,邀请了国内外塑料生物降解与转化领域的相关专家学者介绍了塑料生物降解资源的发掘、塑料解聚酶的设计与改造、塑料降解物的生物高值转化等领域最新进展和研究成果,收录了包括评论、综述、研究论文等类型的相关文章16篇,为塑料生物降解与转化的进一步研究提供借鉴和指导。     

可降解塑料的微生物降解研究进展

塑料材料的广泛使用给环境带了巨大的污染和处理压力,使用可降解塑料替代传统塑料是解决这一问题的重要途径。可降解塑料的生物降解是由相应的微生物和降解酶来完成的。综述了目前常见的生物降解塑料的微生物降解研究和进展情况,明确了微生物在可降解塑料生物降解中的重要性。     

石油基塑料的微生物降解

石油基塑料种类繁多、数量巨大、应用广泛,常见的有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氨酯(PUR)等。这些合成塑料因其高分子量、高疏水性及高化学键能的特点难以被微生物降解,从而在环境中长期存在和累积,"白色污染"已经成为一个全球性问题。因此安全经济的微生物降解合成塑料是人类面临的一个选择和难题。文中从微生物资源及相关酶学研究方面综述了聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氯乙烯这6种石油基塑料的生物降解的研究现状。目前关于上述6种石油基塑料的微生物降解研究依然大多停留在微生物资源的寻找中,已发现的具备相关能力的菌株种类较少,并且微生物降解效率均非常缓慢;对于其降解机理及关键基因和酶的研究比较少。文中为进一步开展塑料生物降解研究,寻找高效的塑料降解菌株资源以及进一步在遗传、分子和生化水平研究塑料生物降解机理研究,从而最终实现合成塑料的彻底降解和高值化利用提供了借鉴。     

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。     

INEL和MSU共同致力环境生物技术研究

美国爱达荷州国立遗传工程实验室(INEL)和蒙大拿州立大学(MSU)商定共同致力于新兴的环境生物技术领域的研究.环境生物技术是针对由微生物引起的环境问题的多学利方法.当前的合作是解决腐蚀工厂热交换系统的微生物和由于毒害气体产生污染油和气体油田的微生物等类问题. 此合作实际上是美国能源部INEL的承包商EG&G Idaho和Interfacial Microbial Process Engineering的MSU中心之间的合作,INEL将向中心提供设备和大学技术,EG&G将继续委任生物技术学家James Wolfram任中心副主任,在那进行研究,还可在MSU     

聚乳酸的生物降解

聚乳酸(polylactic acid, PLA)因其良好的理化性能、生物相容性和生物降解性而备受关注，已被认为是石油基塑料最具潜力的替代者，但在实际应用中仍然存在降解缓慢循环周期长的问题，因此对PLA的生物降解深入研究对于解决塑料垃圾污染和缓解能源危机至关重要。近年来，有关微生物(放线菌、细菌和真菌)和酶(蛋白酶、脂肪酶、酯酶和角质酶)降解PLA的研究已经取得了一定的进展。本文从降解微生物、降解酶和降解机制等方面综述了PLA生物降解的研究进展，并展望了PLA生物降解研究未来的发展趋势。     

聚焦生物降解塑料

<正>传统聚烯烃塑料在自然界中很难降解,塑料垃圾(也称"白色污染")遍布全球,给自然界的污染问题带来巨大困扰。生物降解塑料是指一类由自然界存在的微生物如细菌、霉菌(真菌)和藻类的作用而引起降解的塑料。理想的生物降解塑料是一种具有优良的使用性能、废弃后可被环境微生物完全分解、最终被无机化而成为自然界中碳素循环的一个组成部分的高分子材料。     

聚碳酸酯塑料生物降解及其线路化设计潜能

双酚A型聚碳酸酯(bisphenol-A polycarbonate, PC)是一种应用广泛的热塑性工程塑料,常用于医用材料和电子设备等产品。PC塑料废弃物在环境中的大量累积对生态系统和人类健康带来危害。微生物降解被认为是一种可持续发展的PC废弃物资源回收利用技术。本文综述了目前PC塑料降解的国内外研究成果,包括PC塑料的污染现状及其生物和非生物的降解,特别对PC塑料的降解微生物和降解酶研究进行了详细的总结,并在这些研究成果的基础上,提出了PC塑料降解可能的线路化设计,为潜在的PC塑料废弃物的循环利用和高值化应用提供一定的借鉴。     

细菌降解邻苯二甲酸酯的研究进展

邻苯二甲酸酯(Phthalates esters, PAEs)是一类混合在塑料中以增强其可塑性和多功能性的有机化合物。同时,PAEs也是一种典型环境内分泌干扰物,长期生产和使用塑料制品已对环境和生物体乃至人类身体健康造成危害。研究发现微生物降解已成为削减环境中PAEs的主要途径。文中对近年来国内外在PAEs的结构及分类、毒理学效应、在环境中的污染状况、细菌降解的菌株多样性、降解途径及分子机制等方面的相关研究进行了总结与回顾,以期对解决PAEs的污染问题提供参考。     

废弃塑料生物法高值化合成聚羟基脂肪酸酯(PHA)研究进展

石油基合成塑料因成本低、易便携、化学稳定性好等优点,使用量逐年增加,但其在自然条件下难以被生物降解,在环境中不断累积,造成了严重的“白色污染”问题。聚羟基脂肪酸酯(PHA)是微生物合成的可降解材料,因为其种类及性能多样,所以应用前景广阔,被视作石油基塑料的优质替代品,然而生产成本是导致其应用受限最重要的问题,特别是底物成本占主要部分。利用废弃塑料重新生物合成可降解塑料PHA,既有助于解决塑料污染,又能够降低PHA生产成本,是推动建立塑料循环经济的有效举措。本文综述了目前废弃塑料降解处理的方法以及不同微生物利用塑料降解物为碳源合成PHA的研究进展。在此基础上,针对己二酸、乙二醇、1,4-丁二醇、对苯二甲酸、苯酚、苯乙烯以及脂肪烃等主要的塑料降解产物进行中心代谢分析,并通过对转化率、吉布斯自由能变化和反应步骤等分析,了解塑料单体与PHA种类的适配性,以期为不同塑料单体用于PHA合成提供理论基础和指导。     

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。     

生物可降解塑料在不同环境条件下的降解研究进展北大核心CSCD

当前社会塑料制品的使用需求持续增加,塑料垃圾处理压力不断增大,减缓塑料污染成为当务之急,生物可降解塑料因可在一定生物活性环境下较快降解而备受关注,具有广阔的应用前景。生物可降解塑料降解条件复杂,影响因素众多,对不同生物可降解塑料降解规律,降解微生物和功能酶的透彻掌握,是实现其全面利用和高效资源化处理处置的基础和前提。文章系统梳理了常见生物可降解塑料的种类、性能、优缺点和主要用途,全面综述了生物可降解塑料的降解机理、降解微生物和功能酶,以及生物可降解塑料在不同环境条件下的降解周期和程度,以期为生物可降解塑料的微生物降解研究提供借鉴,为生物可降解塑料废弃物的高效处理处置和彻底降解提供科学参考。     

聚氨酯塑料生物降解的研究现状

目前,聚氨酯(PUR)塑料占据全球塑料市场的6%左右,然而,由于处置不合理,大量聚氨酯塑料被丢弃到环境当中,造成了严重的资源浪费和环境污染等问题。废弃塑料的资源再利用已成为各个国家关注的重要问题。废弃塑料处理主要包括掩埋、焚烧以及机械回收、物理化学和生物利用等。与传统物理和化学法的降级利用相比,生物法因其绿色安全和潜在的高值化利用而成为研究者关注的热点。然而,塑料高分子特殊的分子结构使得目前塑料生物处理依然存在诸多问题,难以实现规模化应用。本文综述了PUR的化学结构和PUR降解性微生物的筛选方法,并总结了PUR降解微生物和降解酶的研究现状以及评价其降解效果的方法,为推进PUR生物降解研究提供了一定参考。     

萘的微生物降解研究进展

萘是一类具有严重"三致"效应(致癌、致畸、致突变)的多环芳烃类有机化合物,严重威胁人类健康。萘的微生物降解由于具有操作简单、经济实用及不产生二次污染等优点,近年来成为治理萘污染的主要手段之一。对不同环境中筛选的萘降解菌的系统生物学分类、培养条件对萘微生物降解效率的影响、萘的微生物降解途径、关键基因和酶及其实际应用方面进行了综述,指出了目前萘微生物降解研究领域存在的问题,并对未来的研究方向做出了展望。     

聚氨酯塑料降解菌G-11的筛选鉴定及其塑料降解特性

聚氨酯(polyurethane,PUR)塑料因其特殊的理化性质而被广泛应用。然而,大量废弃PUR塑料的不合理处置造成了严重的资源浪费和环境污染。利用微生物的手段实现废弃PUR塑料的高效降解和循环利用成为目前的研究热点之一,而高效降解菌是PUR塑料生物法处理的关键。本研究以垃圾填埋场PUR类废塑料样品为来源,分离到一株能够降解PUR类似物Impranil DLN的微生物,并对其PUR降解特性开展了研究。通过16S rRNA基因序列比对将该菌初步鉴定为拟无枝杆菌属(Amycolatopsis sp.),命名为G-11。PUR塑料降解实验结果表明,菌株G-11对商业化PUR塑料的减重率达到4.67%,扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)发现塑料结构被破坏,表面出现侵蚀。接触角分析和热重分析(thermogravimetric analysis,TGA)结果发现,菌株G-11处理后的PUR塑料的亲水性增强,热稳定性下降,该结果与减重和扫描电镜结果相一致。结果表明,分离自垃圾填埋场的菌株G-11在废弃PUR类塑料生物降解方面具有一定的应用潜力。     

聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯塑料地膜高效降解菌群筛选及其群落结构演替特征

【背景】以聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)为主要成分的塑料地膜虽然是生物可降解的地膜,但是关于该塑料地膜降解的微生物菌群研究却较少。【目的】拟从不同环境样品中筛选可降解PBAT塑料地膜的微生物菌群。通过对其多次富集的菌群群落结构演替进行分析,明晰可降解PBAT塑料地膜的核心微生物。【方法】利用改良的SM无机盐培养基从不同环境样品中筛选可降解PBAT塑料地膜的微生物菌群;利用失重法测定菌群对PBAT塑料地膜降解的效率;利用16SrRNA基因高通量测序技术对其第5批次(G5)至第9批次(G9)富集的降解菌群的群落结构进行深入探讨;通过Pearson相关性分析方法对菌群不同菌属相对丰度变化和PBAT塑料地膜降解时间进行解析。【结果】从广州金发堆肥厂的堆肥样品中筛选到可完全降解PBAT塑料地膜的菌群,编号为SX。通过连续不断的转接富集,菌群SX对PBAT塑料地膜的降解速率显著提升。16SrRNA基因高通量测序结果显示第5批次(G5)至第9批次(G9)富集的PBAT塑料地膜降解菌群,厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度逐渐下降,而放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度逐渐上升。硫磺色节杆菌(Arthrobactersulfureus)、红螺菌科(Rhodospirillaceae)和噬几丁质菌科(Chitinophagaceae)在随着转接富集过程中相对丰度逐渐升高而芽孢杆菌(Bacillussp.)的相对丰度显著降低。通过统计分析发现硫磺色节杆菌(Arthrobacter sulfureus)相对丰度升高与PBAT塑料地膜降解时间缩短显著相关(r=–0.927,P0.05)。【结论】筛选到PBAT塑料地膜高效降解菌群SX。通过连续不断的转接富集,菌群SX对PBAT塑料地膜的降解时间由28 d (第5批次,G5)降低到13 d (第9批次,G9)。通过对菌群群落结构的研究,发现随着菌群降解效率的提高,硫磺色节杆菌的所占相对丰度显著增加,说明其可能在PBAT塑料降解中发挥着关键作用。本研究为PBAT塑料地膜的降解提供了绿色高效环保的新途径和菌株资源,并为PBAT塑料地膜降解的机制研究奠定了基础。