尼龙的生物降解研究进展_张颖.pdf

山东化工收稿日期:20221114作者简介:张颖，女，硕士研究生，主要研究生物合成及微塑料的生物降解、高效液相色谱物质测定等。通信作者:孔亮，博士，教授，研究方向:基于生物分子相互作用原理的生物色谱用于天然药物活性成分筛选与分析，高选择性生物色谱固定相新材料与应用等。尼龙的生物降解研究进展张颖，李月，邰秀红，苏昱，邓艳，孔亮*(大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连116023)摘要:尼龙是一种广泛使用的塑料聚合物，同时也是众多塑料污染物之一。而近年来，随着尼龙的使用范围和领域的扩展，对生态系统的危害不断增强，如何去除尼龙等塑料污染物已成为生态环境治理的热点之一，其中生物降解显现出独特的优势。本文针对尼龙塑料生物降解，对尼龙的生物降解产生的生物学基础、尼龙的生物降解机理研究、技术应用、尼龙生物降解酶及特性等方面的研究进展进行了归纳综述，可为相关研究提供参考。关键词:尼龙;生物降解;降解菌;降解酶中图分类号:TQ342;X7834文献标识码:A文章编号:1008021X(2023)03009404Advances in Biodegradation of NylonZhang Ying，Li Yue，Tai Xiuhong，Su Yu，Deng Yan，Kong Liang*(College of Marine Technology and Environment，Dalian Ocean University，Dalian116023，China)Abstract:Nylon is an organic polymer widely used in many fields，and it is one of many plastic pollutantsIn recent years，Withthe application of nylon，nylon has become a new type of pollutant to the environment，and its harm to the ecosystem is increasingAnd the removal of plastic pollutants such as nylon has become one of the hot spots of ecological environment treatment，in whichbiodegradation shows unique advantages In this review，the biological basis of nylon biodegradation，the mechanism of nylonbiodegradation，the technology application，the enzymes and characteristics of nylon biodegradation are summarized，which canprovide reference for related researchKey words:nylon;biodegradation;degrading bacteria;degrading enzyme尼龙(Polyamide，PA)即“聚酰胺”，又称“锦纶”，属于线型高分子材料，其聚合物大分子主链含有酰胺基团(CONH)重复结构单元，应用广泛，为五大工程塑料之一1。尼龙不溶于普通溶剂，熔点可以达到 263，纤维强度和耐磨度高于一般纤维2。伴随着尼龙制造技术的不断发展，尼龙被应用于众多领域，前景广阔3。常见的尼龙有尼龙 66 和尼龙 6 等，它们的分子结构式如图 1 和图 2 所示。图 1Nylon66 的分子结构式图 2Nylon6 的分子结构式但与此同时，尼龙作为性能稳定的塑料聚合物，降解难度大，分解速度缓慢。尼龙类废弃物等塑料垃圾对土壤微生物的活性和多样性、土壤生物的繁殖4 和土壤无脊椎动物的淋滤5 都有不利影响。随着尼龙等材料的广泛应用，塑料垃圾对环境，尤其水环境造成的损害也越来越显著，调查和研究明确表明塑料垃圾对海洋动物内分泌系统产生干扰6，并造成水生动物的肠道堵塞和虚假饱腹感等生理损伤7。在塑料污染物处理方面，对于尼龙等塑料聚合物的处理方法主要以回收、填埋、焚烧和使用生物塑料替代等为主，而且每种方法都有其自身的不足。例如，焚烧塑料聚合物会产生更多的有毒和挥发性污染物，或颗粒物，如呋喃、二噁英、重金属、硫化物等，其中很多是潜在的致突变剂、致癌物8。塑料回收成本较高，回收塑料的生产成本往往比原始塑料产品更为昂贵9。而生物降解消除尼龙等塑料污染物，具有能耗低、降解彻底等特点，正在成为该领域的热点，由于其使用过程的清洁性、安全性以及成本等方面优势，不断涌现出各种塑料生物降解方法与技术。1尼龙生物降解产生的生物学基础微生物通过转化和矿化不同的化合物，在生态环境的维持中发挥着重要作用。在防止各种材料的生物积累方面，微生物一直处于生物链的最前沿，微生物群落通过基因组修改适应环境来进化其代谢能力，从而将新化合物纳入其代谢途径中，并扩展到生物地球化学循环，以应对多种极端环境的挑战。因此，微生物对不同人工合成化合物代谢的适应是基于突变体的自然选择，使其具备了必要的降解酶，表现为较少的底物特异性和新的代谢途径。研究表明，幼虫形态的昆虫，包括粉虫和蜡虫，在它们的肠道微生物群的协助下具有消化、降解和矿化各种塑料聚合物的能力10。除了与昆虫一起降解塑料的共生微生物外，不同生态系统中的各种微生物也被发现具有联合生物降解塑料的潜力。因此，尼龙作为塑料聚合物的一员，具有被生物降解的可能。此外，越来越多的研究表明生物降解塑料的普遍性与广泛性。一些石油基塑料的降解也可以通过生物过程完成，例如，一些脂肪族聚酯如 PCL(聚己内酯，Polycaprolactone)和 PBS(聚丁二酸丁二醇，Polybutylene succinate)可以用酶和微生物降解。研究还表明，脂肪族聚碳酸酯具有一定程度的生物降解性。聚酯是近年来发展起来的可生物降解塑料，目前已成为绝大多数49SHANDONG CHEMICAL INDUSTY2023 年第 52 卷DOI:10.19319/ki.issn.1008-021x.2023.03.064第 3 期可生物降解塑料的主要材料之一11。然而，在各种塑料中，尼龙具有相对较高的抗降解性，这主要是由于其分子结构的高度对称性和分子间氢键的强度，使其形成高度结晶的形态，这也是尼龙难生物降解的重要原因，因此，对于具有相对简单重复单元的尼龙的生物降解研究报道较少12。2尼龙的生物降解机理研究微生物降解塑料聚合物包括多种模式，如:生物降解、生物破碎、同化和矿化。微生物降解有机物一般有两种模式，一种是微生物以某一类有机化合物作为其生长的碳源，有时还作为唯一的氮源;另一种是通过共代谢进行降解，即微生物从某些其他化合物获得碳源和能源，转化原来不能被利用的一些有机物，直至完全降解。这两种降解方式的最终产物都是水和二氧化碳。微生物对有机物的代谢过程是通过自身产生酶的催化作用来完成的，具体如氧化还原酶、漆酶、过氧化物酶等来降解塑料聚合物。该类酶首先与聚合物底物结合，然后催化聚合物分子的水解断裂，完成降解过程。聚合物通常分解为由单体、二聚体和低聚物组成的小分子链，这些单体和低聚物可以迅速穿过细胞膜，并进一步被微生物用作碳源和能源1314，最后降解为 CO2和 H2O。降解机理如图 3 所示。目前已知尼龙降解为较小的代谢物有两种生物降解方式，即特定水解酶的水解代谢和过氧化物酶的氧化代谢。由于各种微生物产生的酶不同，因此不同微生物对各种有机物的降解能力存在着很大的差异。图 3塑料的生物降解机理3尼龙生物降解的技术应用研究随着基因工程、系统生物学和合成生物学等现代生物技术的进步，塑料生物降解已显现替代传统燃烧和填埋处理塑料方法的趋势。基因工程技术是用来控制微生物的基因结构主要工具，通过基因工程手段提高其降解塑料污染物的能力15。而系统生物学则利用基因组学、转录组学、代谢组学、蛋白质组学等不同的组学方法，表征降解过程中 DNA、NA、代谢产物及与其他分子相互作用的信息。系统生物学信息与基因工程手段相结合，更有利于在天然微生物的遗传潜力上进行了改造，得到具有高效联合生物降解能力的基因工程微生物群落。此外，循环水产养殖系统、水产养殖系统和最近的生物絮凝技术 都 是 去 除 污 染 物 的 方 法。生 物 絮 凝 技 术(Biofloctechnology)是一种利用微生物过程和培养环境中的微生物生态系统来提供食物、改善水质、疾病预防和进行废物处理的技术16。生物絮凝技术主要用于商业集约化养殖场，以最大限度地减少水质问题。近几年来，尼龙等微塑料污染及其对水产养殖业的影响已经得到了证实。最有效的生物絮凝产生细菌是异养细菌，异养细菌的生长与微塑料的生物降解有直接关系，因此异养细菌被引入水产养殖的生物絮凝系统。异养细菌具有作用于水产养殖中尼龙等微塑料的潜力17。尼龙作为含氮高分子化合物，分解过程中易产氨，而氨是水产养殖中最有害的无机氮化合物之一，异养细菌可以通过吸收有害的氨而形成一个由死亡生物、粪便、未喂养的饲料和蜕皮组成的群落，从而产生细菌生物量，这时就会形成生物絮体，以达到降解塑料的同时还可以改善水质的目的。此前，由于缺乏水化学、水生微生物学和工程学知识，导致该技术产生过量的悬浮固体负荷、微生物种群失衡18 以及低碱度等19，而目前该项技术已在秘鲁、美国、墨西哥、巴西、危地马拉、越南、印度尼西亚、马来西亚等国家成功采用。4尼龙降解微生物和降解酶目前已报道的 PA 的生物降解途径有两种:水解途径和氧化分解途径20。1981 年，Shama 和 Wase 首次报道了用多种微生物共同作用于己内酰胺废弃物，初步实现了微生物对己内酰胺、6氨基己酸(6ACA)及其低聚物的降解21。后续研究多以尼龙低聚物为底物作为一般生物降解体系。Baxi 和 Shah 不仅研究了混合菌对己内酰胺废弃物的生物降解，而且从混合菌中分离出单株优势菌，对己内酰胺的生物降解进行了全面的研究22。该研究以尼龙生产厂的活性淤泥菌为菌源培养混合菌，然后分离出四种单一菌:Alcaligenes faecalis(产碱杆菌属)，Arthrobacter(节细菌属)，Bacillus aphaericus(芽孢杆菌属)和 hodocossus rhodochros(玫红球菌属)。分别以混合菌和单一菌 Alcaligenes faecalis 作用于己内酰胺废弃物。结果表明，无论是混合菌还是单一菌，都可以显著降解己内酰胺、6氨基己酸及其链状低聚物。1989 年，Kinoshita 与 Kanagawa 以 6氨基己酸的环状二聚物为唯一碳源和氮源，培养分离出 Flavobacterium sp(黄杆菌属)K172 和 Pseudomonas sp(假单胞菌属)NK8723。并在此研究基础上，成功地将对尼龙低聚物不具降解性的 FlavobacteriumspK1725 及 Pseudomons aeruginosa PAO1 定向进化获得降解尼龙低聚物的能力。在后面的研究中发现黄杆菌株、假单胞菌菌株和农霉菌株中有三种水解酶起主要降解作用。这些酶分别被鉴定为 6氨基己酸环二聚体水解酶、6氨基己酸二聚体水解酶和内切型 6氨基己酸低聚体水解酶，它们在一定条件下联合产生降解作用，将尼龙中间体转化为其单体 6氨基己酸24。随后的研究也在节肢杆菌属 KI72 中鉴定出了与上述酶性质相似的酶25。21 世纪初，陆续发现木质素降解真菌 P chrysosoporium，Bjerkandera adusta26 和 IZU1542728 能够降解尼龙 66 聚合物。2010 年，Tachibana 等人发现尼龙 4 膜在含有 KT1 和 KT2 菌株的矿物介质中均发生了分解，并在 2 个月内完全降解13，已有研究考察了这两种菌对尼龙 4 的降解过程29。近年来，有研究表明菌株 ND 1 可以水解 PA4 的酰胺键，形成氨基丁酸低聚物和氨基丁酸30，从海水中分离的菌株 MND1 同样对 PA4 具有降解活性。已报道的降解尼龙塑料的微生物和酶见表 1。59张颖，等:尼龙的生物降解研究进展山东化工表 1已报道的降解尼龙塑料的微生物和酶降解菌降解酶作用底物参考文献Bjerkandera adusta(白腐菌属)尼龙 66 10IZU154(白腐菌属)MnP尼龙 66 2728Badusta(白腐菌属)尼龙 6P chrysosoporium(白腐菌属)LiP己内酰胺 26Alcaligenes faecalis(产碱杆菌属)Arthrobacter(节细菌属)Bacillus aphaericus(芽孢杆菌属)hodocossus rhodochros(玫红球菌属)己内酰胺 22Flavobacterium sp(黄杆菌属)K172FEIFEIIFEIII尼龙 6 低聚物 24Pseudomonas sp(假单胞菌属)NK87PEIPEII尼龙 6 低聚物 23KT1KT2尼龙 4 13，29MND1ND11尼龙 4 30注:MnP:锰过氧化物酶;LiP:木质素过氧化物酶;EI:6氨基己酸环二聚体水解酶;EII:6氨基己酸二聚体水解酶;EIII:内切型 6氨基己酸低聚体水解酶。5尼龙塑料降解特性研究塑料在生物降解过程中主要是发生了一系列生物化学反应，导致塑料在其物理、化学、生物性质发生变化，这些物理、化学及生物等性质的改变常被作为塑料发生降解的观察指标31。在物理性质方面的变化主要有:一是塑料结晶度降低32;二是塑料重量减轻33。在化学性质方面的变化有:一是活性基团的产生34，二是相对分子质量下降35。在生物性质方面的变化有:主要是微生物吸附、定殖等36。分析尼龙降解特性的方法主要有四种，分别是:(1)测定塑料的降解率(失重率)，即根据塑料降解前后重量差的百分比表示37;(2)测量塑料相对分子质量的变化，常用凝胶渗透色谱(GPC)测定降解前后塑料相对分子质量的迁移;(3)分析检测塑料表面微观特性及组成结构，如利用扫描电子显微镜(SEM)观察到塑料在降解后明显出现的坑洞和褶皱等38，采用原子力显微镜(AFM)观察塑料降解后表面粗糙度增加程度39，采用核磁共振波谱(NM)分析塑料降解前后的分子结构的变化40，利用傅里叶变换红外光谱(FTI)分析塑料降解前后的官能团的变化41;(4)分析塑料的力学性能及疏水性，常用水接触角仪测定其降解前后的亲/疏水性变化42。6总结与展望针对目前尼龙带来的危害与挑战，生物降解无疑是最有效的解决方法之一，也是最具前景的降解手段。目前尼龙及其他塑料的生物降解已成为塑料污染物降解领域的研究热点，探索更多的尼龙降解菌及降解酶也是未来尼龙降解的重要发展方向。在微生物研究上，在关注天然菌种的同时，兼顾人工菌种的培育。生物降解尼龙不仅有利于解决环境问题，同时能够减少尼龙对生态环境、人类生命健康的威胁。同时，生物降解较之其他降解方式充满着无限的可能性和未知性。现有对尼龙降解菌和降解酶的研究也给其他尼龙降解生物研究提供参考依据。同时，本文所涉及的尼龙降解生物并不足以包含全部，很多研究仍需更加深入地开展和完善，以便加快推动为生物降解尼龙等塑料污染物技术的进步和应用。参考文献 1 王文清尼龙 66 东风徐徐吹来 J 中国石油和化工，2021(7):1718 2FAIGIEVE S Nylon degradation:problems and oppor tunities J 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