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。     

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。     

1株聚乳酸降解细菌的筛选、鉴定及产酶研究

从污泥中筛选出1株对聚乳酸（poly—L—lacticacid,PLA）具有降解活力的细菌DSL09,该菌株对PLA的乳化液、粉末及薄膜都具有降解作用。通过形态学、16SrDNA比对及生理生化特性的分析,鉴定该菌株属于芽胞杆菌属（Bacillus sp．）。为提高该菌株对PLA的降解活力,对其进行了紫外诱变,获得了稳定遗传的突变株DSL09-60b,该突变株的PLA降解活性提高至原始菌株的1．5倍。对该突变株产PLA降解酶的发酵条件进行了优化,经测定DSL09-60b在初始培养基pH为8．0、0．5％酪蛋白为诱导物、接种量6％（体积比）的条件下37℃培养54h时发酵液酶活性最高。     

乳丝的加工、性能及其应用

乳丝学名为聚乳酸纤维,是一种可生物降解的新型绿色纤维,目前制备方法主要有熔融纺丝、溶液纺丝和静电纺丝等3种方法。作为一种新型的可降解纤维材料,其环保性、吸湿性、透气性、生物相容性以及优良的力学性能决定了其在生物医用、织物面料、非织造材料(如一次性卫生用品、过滤材料等)等很多方面都将得到广泛应用。     

聚乳酸成核剂研究进展

聚乳酸是以乳酸为原料而合成得到的一种高分子材料,具有良好生物相容性、可生物降解性。目前工业规模化生产的聚乳酸主要是以左旋乳酸合成得到的聚乳酸,制得的制品透明性好,但缺点是不能耐热。添加成核剂可以提高聚乳酸的结晶度,从而提高它的耐热性能。本文综述了有机成核剂和无机成核剂的研究进展。     

聚乳酸材料在不同土壤环境中生物降解的菌群结构分析

【目的】评价聚乳酸(Polylactic acid,PLA)材料在不同土壤环境中自然降解的效果,通过对3种不同土壤菌群结构的分析,找到能够对聚乳酸材料有降解作用的优势菌群。【方法】通过扫描电镜、断裂拉伸强度和CO2释放量测定来评价3种土壤对PLA材料的降解效果,并运用高通量测序技术,对3种土壤细菌群落进行基因组测序分析,检测3个样本细菌群落的差异性。【结果】PLA材料在沼泽地、芒果林地和稻田中的生物降解率分别为13.7%、10.6%和4.5%。3种土壤的样品分别获得11 110、11 236和8 848个OTU,共涉及细菌域的9个主要门和16个主要科。其中沼泽地土壤的微生物群落丰富度和多样性最高,稻田土壤最低。【结论】结合土壤的降解效果,土壤中生物群落丰富度和多样性越高,对PLA材料的降解作用越好。同时变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)是降解聚乳酸材料的优势菌群。在科水平上,黄杆菌科(Flavobacteriaceae)、丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)和噬纤维菌科(Cytophagaceae)的微生物对聚乳酸材料的降解最有潜力。这一研究成果为能有效降解聚乳酸材料的微生物资源的开发提供了理论依据。     

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。     

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。     

g-HA/PLA复合材料的细胞反应和血液相容性研究

将表面改性后的羟基磷灰石颗粒同聚乳酸复合得到新型复合材料可望用于骨替代领域, 本文旨在研究此种复合材料的血液相容性和细胞反应. 将L-乳酸低聚物接枝到羟基磷灰石表面, 得到接枝羟基磷灰石颗粒. 之后, 将g-HA颗粒同PLA进行共混获得g-HA/PLA复合材料. 先前研究表明, 由于提高了聚合物基体和HA颗粒之间的界面黏附力, 这些材料的拉伸性能得到了明显提高. 为进一步考察这些材料在骨修复及其他整形外科方面的潜在应用, 进行了一系列体内和体外实验来测试其细胞反应及血液相容性. 体外实验表明, g-HA/PLA复合材料有利于L-929细胞的生长. 复合材料的溶血率低于纯PLA. 皮下植入实验表明, g-HA/PLA复合材料的软组织反应比较合适. 以上结果提示, g-HA/PLA复合材料是一种安全的材料, 有望用于组织工程研究.     

日本研究人员成功利用大肠杆菌生产聚乳酸

日本丰田汽车、丰田中央研究所和北海道大学的研究小组于2008年10月27日在当天发行的美国科学院院刊（PNAS）早版上发表论文称,利用重组大肠杆菌经生物工艺制造出了含聚乳酸（PLA）的共聚体（copolymer）。此前的做法是先把微生物发酵得到的乳酸转换为环状二聚体丙交酯（lactide）,再通过金属催化剂聚合这种丙交酯,最终合成聚乳酸（丙交酯法）。但是．这种金属催化剂具有毒性,人们一直希望能够确立一种全工序生物工艺聚乳酸合成方法。     

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。     

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。     

2016生物基材料专刊序言

生物基材料,是利用谷物、豆科、秸秆、竹木粉等可再生生物质为原料制造的新型材料和化学品等,包括生物合成、生物加工、生物炼制过程获得的生物醇、有机酸、烷烃、烯烃等基础生物基化学品,也包括生物基塑料、生物基纤维、糖工程产品、生物基橡胶以及生物质热塑性加工得到塑料材料等。生物基材料由于其绿色、环境友好、资源节约等特点,正逐步成为引领当代世界科技创新和经济发展的又一个新的主导产业。本期专刊报道了生物基材料总体发展情况,介绍了生物基纤维、聚羟基烷酸酯、可生物降解地膜、生物基聚酰胺、蛋白医用生物材料、生物基聚氨酯、聚乳酸改性与加工等几个方面行业状况及其研究进展。     

生物降解材料聚乳酸的研究进展

介绍了可生物降解材料聚乳酸的合成、改性、应用以及聚乳酸生物降解性的研究进展,进行了较详细地综述和总结,并对聚乳酸的发展前景进行了展望。     

推动聚乳酸材料的应用 构建L-乳酸、聚乳酸生物材料产业链

生物降解材料——聚乳酸的应用前景广阔,构建我国L-乳酸、聚乳酸生物基材料产业链的迫切性和必要性不言而喻。国家“十五”科技攻关计划课题“L-乳酸与聚乳酸技术”的研发成果表明：以农业经济作物为原料生产低成本L-乳酸、聚乳酸的工艺路线,以工业生物技术为手段可以为制造环境友好的生物降解材料、形成可持续发展的循环经济产业链提供技术支持。     

聚乳酸纳米粒穿透血脑屏障的分析电镜研究

观察以聚乳酸 (D ,L-polylacticacid,PLA)为材料制备、经吐温-80(T-80)表面改性的纳米粒对血脑屏障的穿透效果并探讨其机制 ,分别将FITC-Dextran、叶绿素铜作为PLA纳米粒的示踪标记 ,应用荧光显微镜、透射电镜及分析电镜观察经静脉注射入小鼠体内的PLA纳米粒在脑组织中的分布、穿透血脑屏障的特性。荧光显微镜观察到小鼠脑组织中散在及沿毛细血管壁分布的荧光颗粒 ,透射电镜可观察到小鼠脑毛细血管内皮细胞及周围脑组织中圆形或类圆形的外源性纳米粒 ;进一步采用分析电镜对颗粒处组织进行能谱分析证实其为叶绿素铜标记的PLA纳米粒。证实了T-80修饰的PLA纳米粒具有穿透血脑屏障的特性 ,机制可能是毛细血管内皮细胞的胞吞转运作用 ,同时 ,为研究纳米粒在组织内的定位提供了新的标记方法.     

国内生物基材料产业发展现状

近年来,生物基材料正逐步成为引领当代世界科技创新和经济发展的又一新的主导产业。文章综述了国内生物基材料产业的最新进展,对整个生物基材料产业市场进行了综合分析,包括生物基化学品如乳酸、1,3-丙二醇、丁二酸等,可生物降解生物基塑料如二元酸二元醇共聚酯、聚乳酸、二氧化碳共聚物、聚羟基烷酸酯、聚己内酯、热塑性生物质塑料,非生物降解生物基塑料如生物基聚酰胺、聚对苯二甲酸丙二醇酯、生物基聚氨酯,以及生物基纤维等材料的产业现状。     

碳源和氮源对毛栓菌菌丝体生长和漆酶分泌的影响

木质素是一种高度复杂的,由宋丙烷为基本结构单元构成的芳香族高分子化合物,是仅次于纤维素的第二大再生有机资源。木质素的结构使其难于降解,大多数生物不能直接利用,从而造成这一资源的巨大浪费,同时木质素的降解及其相关酶类在生物制浆和环境保护中具有重要意义。木质素生物降解酶主要有木素过氧化物酶。锰过氧化物酶、漆酶和多酚氧化酶等,国外已有黄泡原毛平革菌[1]和杂色云芝[2－6]的有关研究报道,但未见该菌的有关报道。国内周金燕[7]、秦小琼[8]等曾研究真菌漆酶。本文对毛栓菌产生漆酶的条件进行了探讨,以便为其在造纸和环…     

大鼠成骨细胞在聚乳酸、马来酸酐改性聚乳酸表面的粘附性能研究

采用微管吸吮装置对大鼠成骨细胞,在聚乳酸和马来酸酐改性聚乳酸材料表面的粘附性能进行了研究.目的是评价材料的粘附性能和改性方法,并筛选材料.研究表明：与玻璃材料相比,成骨细胞在聚乳酸表面的粘附力更大,经化学结构改性后,聚乳酸对成骨细胞24 h的粘附性能提高了近2倍.成骨细胞在改性聚乳酸材料表面的24 h组的粘附力是15 min组的1.3倍（测量时间为3 h）,而在聚乳酸上则差别不明显.实验证实,改性聚乳酸是一种更利于成骨细胞粘附的支撑材料,采用的改性方法可行.     

膜性高分子材料在兔眼部的生物相容性

目的评价聚羟基脂肪酸(polyhydroxyalkanoates,PHA)、聚乳酸(polylacetic acid,PLA)和聚己内酯(polycaprolactone,PCL)三种膜性高分子材料在兔眼部的生物相容性。方法将24只新西兰兔随机分为4组,每组6只。PHA、PLA、PCL为实验组,材料植入兔右眼结膜下。假手术组结膜下钝性分离,但不植入任何高分子材料。使用裂隙灯显微镜观察并记录植入后不同时间手术眼的反应并评分。裂隙灯下观察材料的吸收时间。术后4周和16周取眼球,行HE染色、Masson染色和天狼猩红染色分别定性观察组织结构和炎症细胞、胶原纤维和胶原纤维的亚型与排列方向。结果术眼刺激性评分等级各组均不高于"轻度刺激性"。结膜下吸收时间PHA、PLA和PCL组分别是16周,12周和大于16周。组织学观察术后4周PHA、PLA和PCL组均形成材料包裹囊腔,囊壁以纤维组织为主,伴有毛细血管形成和炎性细胞浸润,以中性粒细胞为主。胶原纤维染色与假手术组无明显差异,以Ⅰ型和Ⅲ型为主,大致呈平行排列。术后16周PHA和PLA组材料已不可查及,包裹囊腔结构不规则,而PCL材料整体可查及,包裹囊腔规则。各组未见毛细血管,偶见淋巴细胞浸润。胶原纤维与假手术组无明显差异,以Ⅰ型和Ⅲ型为主,仍大致呈平行排列。结论 PHA、PLA和PCL三种膜性高分子材料在兔眼具有较好的生物相容性,结膜下吸收时间分别是16周,12周和大于16周。