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生物草可生产PHA

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发表于 2013-12-3 10:20:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
摘要:

清华大学陈国强教授解析了美研究人员直接从植物中获取可降解高分子聚合物的方法,即通过把新基因序列植入柳枝稷(一种草)内,改变了基因结构的柳枝稷把二氧化碳转换成为PHB(聚β-羟基丁酸)。PHB是PHA(聚羟基脂肪酸酯)家族中的的一种,它是世界上公认可完全降解的生物材料。





清华大学陈国强教授解析了美研究人员直接从植物中获取可降解高分子聚合物的方法,即通过把新基因序列植入柳枝稷(一种草)内,改变了基因结构的柳枝稷把二氧化碳转换成为PHB(聚β-羟基丁酸)。PHB是PHA(聚羟基脂肪酸酯)家族中的的一种,它是世界上公认可完全降解的生物塑料新型材料。

陈国强

每天我们被各种塑料制品包围,塑料已经成为生活中不可或缺的部分。不过在带来便利的同时,不可降解塑料也带来了环境污染。为此,科学家一直致力于研发成本低廉、性能优异、不污染环境的可降解塑料。在众多制造方法中,一种从“塑料草”中获取可降解塑料的方式颇为吸引人。难道可降解塑料也能“种”出来?向植物要可降解塑料的时代何时才能到来?就上述问题,记者采访了专家。

近日,来自美国马萨诸塞州Metabolix公司的科学家开发出一种新方法,能够直接从植物中获取可降解高分子聚合物。研究人员称这种用“塑料草”生产可降解聚合物的方法,不但节能环保,成本也还不到目前普通可降解高分子聚合物的一半,具有极大的市场潜力。

想种出降解“塑料”转基因植物就能实现

辽宁日报:陈教授,一般人印象中塑料是人工合成的,而植物则是天然生长的,难道在植物中真的能“长”出塑料吗?

陈国强:是的。其实这个过程并不神秘,很多微生物在自然生长的过程中,会天然合成一种细胞内聚酯。这种名为PHA(聚羟基脂肪酸酯)的一系列物质,是高分子生物材料,因具有良好的生物相容性能、生物可降解性和塑料的热加工性能,所以可以依据生物高分子材料学知识,被提取出来合成可降解塑料。

PHA是一个庞大的“家族”,其中包含150种以上的单体结构,PHA中有一种名为PHB (聚β-羟基丁酸)的物质,则是本则新闻中的“主角”。新闻中美国研究人员花了几年时间将新基因序列植入柳枝稷(一种草)内,就是为了让改变了基因结构的柳枝稷把二氧化碳转换成为PHB。

辽宁日报:为什么众多植物中,科研人员偏偏就看中了柳枝稷呢?

陈国强:柳枝稷生命力极其顽强,具有耐干旱、耐盐碱、耐贫瘠、适应性强的特性,种植管理简单,在干旱、半干旱地区和低洼易涝、盐碱地区以及土壤贫瘠的山区、半山区均可种植。本次科研人员垂青于柳枝稷,还在于它生长快速、高产量、高碳。相信大家已经可以总结出来,适应性强、产量高则意味着PHB生产成本有望被压缩。

辽宁日报:需要达到什么样的利用率,才能使这种方法用于实际生产?

陈国强:根据美国科研人员的估计,PHB的质量必须占到柳枝稷20%才能完全符合需求。早期实验平均只能达到1.2%,去年提高到2.3%。不过有部分的柳枝稷PHB含量能够达到7%,所以美国科学家认为这种基因改造的方法很有前途。

辽宁日报:为什么科学家十分重视包括PHB在内的PHA一族可降解高分子聚合物的研发?

陈国强:我们刚才说过,PHA里面含有150种不同的结构,可以从这些结构中获得非常有弹性的材料、刚性的材料、生物医用材料以及对温度敏感的材料,对pH敏感的材料等等。 当然PHA也有缺点,因其制造过程比较复杂,所以价格相对较贵。

让植物大量生产塑料技术没问题成本还得降

辽宁日报:除了植物能够生产PHB外,还有其他批量生产PHB的方法吗?

陈国强:微生物发酵生产是获得生物可降解塑料PHA、PHB等的主要途径,它比利用转基因植物生产PHB的方法目前要简单。迄今为止,已发现土壤中超过30%以上的细菌能胜任这个工作。通常在自然环境中,微生物能储备干燥菌体质量5%至20%的PHB。

这里要强调的是,目前生物合成PHB的两种方法,即微生物发酵法和转基因植物法中,微生物发酵法还是更加“主流”的。因为转基因植物法生产的PHB一般只能达到植物质量的5%左右,新闻中所说的7%目前来说虽然有进步,但是只是个例。而且植物一般都有非常坚硬的纤维素,它们将PHA或PHB包在里面,要想将有用物质从整体中提炼出来,是有一定困难的,因此成本显然较高。所以我们认为,未来10至20年从植物中大量生产塑料从技术角度讲是可以实现的,但是从经济角度还是不现实的。

辽宁日报:在得到富含PHB的细菌菌体或植物细胞后,我们如何将PHB提取出来?

陈国强:将PHB提取出来为我们所用的方法有很多种,提取方法是否高效、纯度是否理想,都会在一定程度上影响它的成本。

比如,因为PHB是积累于细胞内不溶于水而溶于一些有机溶剂的大分子聚酯,所以可利用这种特性,采取溶剂提取法生产PHB。应用于溶剂提取法的有机溶剂较多,如氯仿或醋酸丁酯等。

我们还可以使用物理方法提取PHB。从细菌中提取PHB通常首先采用高压均质或高速珠研磨破坏细胞壁。将干细胞粉碎后,再利用PHB颗粒物直径的差异在液相或气相中分离,就可以获取产物。

上面介绍了两种方法,其实实际应用中我们还会根据需求使用直接成型法、酶法、基因工程法等,在这里就不一一介绍了。

优点和缺点都很明显广泛应用前需取长补短

辽宁日报:PHA能用来制造哪些生活中常见的产品?

陈国强:PHA在医药领域常用来制造外科缝线、肘钉、骨骼替代品、血管替代品等。

另外,它因有良好的生物降解性,其分解产物可全部为生物利用,对环境无任何污染,所以在农业上可以被用来制造长效农药、肥料的生物降解载体等,工业上则可以用来作为包装材料、卫生用品、尿布、光学活性材料等。

辽宁日报:以PHA为代表的可降解塑料未来将会完全替代不可降解塑料?

陈国强:应该说可降解塑料和不可降解塑料各有各的用途。不可降解塑料中的PE(聚乙烯)等,经过一个世纪的开发,克服了很多技术上的困难,已经很成熟,而且成本较低,而目前生物材料比较贵,因此短时间内可降解塑料还是不能替代不可降解塑料的。

而且在制造一些塑料制品 (如建筑材料等)时,我们不希望它降解而是希望它越经久耐用越好。这种需求也决定了不可降解材料还有存在的必要。

辽宁日报:PHA的优点很多,应用范围也很广,在科学家眼中是否可以将它视为一种“生物塑料”?

陈国强:确实,我们前面介绍了PHA的不少优点,但是也不得不承认这种材料还有一些不尽如人意的地方,比如分子链结构使得它比较容易结晶,这意味着PHA制作的材料非常“脆”,经不起长期使用和强力的冲击。它的亲水性也不好,会限制它在生物医学领域的应用。此外,PHA中,PHB的熔点与分解的温度很接近,也就是说加工温度稍高,它就分解了,而温度低则会使其不易成型。

辽宁日报:是否可以通过一些手段改变它的性质,拓宽其应用范围?

陈国强:是的。我们可以对其改性,这样不仅能够保留它本身原有的优良性能,改变其缺点,而且还能为它赋予一些新的特性。

比如,PHB易结晶就是因为其分子结构十分规整,为防止材料发脆,可以在细菌发酵生产时将其他羟基脂肪酸链节单元加在PHB的分子链段上,这种生物改性的方法能降低结晶度和熔点,当然材料的抗冲击性能和加工性能就会得到改善。

还有PHB物理改性的方法,即将PHB通过与生物降解材料混合成新型材料。这种取它物之长,补自己之短的方法可以在一定程度上改善PHB的热塑性,提高其机械性能。

化学改性是生物改性和物理改性外的另一种重要方法,即以PHB本身的分子结构为基础,通过分子设计来合成含有PHB链段的新结构,从而使原来的 PHB分子链规整度下降,进而提高了PHB的柔性、弹性和亲水性。

总之,PHA是世界上公认可完全降解的生物塑料新型材料。针对它的研究还有很多,希望大家能关注我们的研究,使这种可降解材料广泛地用在生活的方方面面,更好地为我们服务。

专家档案

陈国强 清华大学教授,长期从事“微生物和生物材料”的研究。教育部长江学者特聘教授、第八届中国青年科技奖、自然科学基金委国家杰出青年、纽伦堡国际发明奖、国家发明二等奖(排名第一)、谈家祯生命科学创新奖、茅以升科技奖、教育部高校青年教师奖获得者等。目前是973“合成生物学”项目首席科学家。曾连续6年获得清华大学学生 “良师益友”的光荣称号,连续6年获得清华大学高论文他引的 “梅贻琦奖”。在国际学术期刊上共发表微生物技术和生物材料相关论文200多篇,论文被引用了6000多次(H指数为38)。获得授权专利25项,39个公开专利。

绿色途径

塑料颗粒在经过基因改造的柳枝稷叶子内部堆积。



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发表于 2013-12-3 10:23:14 | 显示全部楼层
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[LV.9]元老会员II

发表于 2013-12-3 10:38:45 | 显示全部楼层
学习了!
题外话:咋一看陈老师怎么和那个王天旭那么像!碉堡了
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