当前世界环境

简介

制造塑料需要大量的石油;有害地影响环境(Bubacz和Goldsbery, 2014)。“生物材料”一词包括生物在不同环境条件下合成的化学上不相关的产品等, 2003)。聚羟基烷酸(PHAs)是由不同的重复酯键单元组成的生物线性结构，聚3-羟基丁酸(PHB)是由羟基丁酸单元(Shakeri等.， 2011)是最常见的(Singh和Parmar, 2011)。PHAs积累不溶于水(Shakeri等.， 2011)碳存储细胞内聚合物(Sing和Parmar, 2011)，没有渗透压效应(Ksekdau等, 2003)。

PHAs由各种原核微生物自然产生，包括古菌和细菌(Shakeri等.， 2011)革兰氏阳性或革兰氏阴性(Elsayed等.， 2013)和一些光营养性蓝藻(McQualter等, 2014;Schlebusch等, 2013)。它们在许多化学和物理性质上类似于合成聚合物等, 2012;Mullaney和Rehm, 2010)，已被生产用于大宗商品塑料、钓鱼线和医疗用途(Lu等.， 2009)，例如药房和药物输送系统(Shakeri等, 2011)。作为生物可降解聚合物，PHAs也受到了广泛关注等, 2009)。

PHA合成途径

我们关于PHB生产的知识来源于Ralstonia eutropha(乔等.， 2007)也被称为贪铜菌吊钩虫拿，Wautersia eutropha,产碱杆菌属eutrophus(Kocharin, 2012)。建立PHB生物合成途径需要包含三种酶的单链翻译融合蛋白(Mullaney and Rehm, 2010)。phbCAB操纵子合成PHB的酶活性等．2007)作为phbCAB生成集群(Peralta-Gil等．2002)。这些酶分别是由phbC、phbA和phbB基因编码的PHA合成酶、依赖nadph的乙酰乙酰辅酶a还原酶和β-酮硫醇酶(Ojume和Solomon 2003年)。Peralta-Gil等．(2002)报道,固氮菌vinelandii的phbR转录激活基因位于phbBAC,归属感AraC系列活化剂(Peralta-Gil等, 2002)。PHA的合成可以总结为图1所示的8个途径。

图1:PHA途径的生物合成(Chen, 2010)。 点击这里查看图

表达PHB的合成是转录后的β-酮硫醇酶活性水平，它催化PHB合成的第一步(Peralta-Gil等, 2002)。葡萄糖-6-磷酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶是NADP⁺再生酶作为乙酰乙酰辅酶a还原酶的共底物，乙酰乙酰辅酶a还原酶是参与PHB生物合成的三种关键酶之一(Yamane, 1992)。辅酶A通过将乙酰辅酶A输入到三羧酸循环中来抑制β-酮硫醇酶的活性。在氧限制和碳过量条件下，NAD(P)H水平升高，抑制柠檬酸合酶和异柠檬酸脱氢酶。通过抑制这两种酶，乙酰辅酶a和降低辅酶a的水平已经升高，辅酶a对β-酮硫醇酶的抑制被克服，并允许PHB的合成继续进行(Peralta-Gil等．2002)。

许多编码各种酶的基因直接或间接参与PHA的合成。表1总结了PHAs合成的途径、缩写和涉及的酶。

表1:PHAs的合成途径(Chen, 2010)。

讨论

生物塑料是石化合成塑料的替代产品等.， 2010)，是开发控释药物输送载体的首选，也可用于生物医学植入物和生物燃料(Elsayed, 2013)。生物塑料正变得越来越突出，这主要是由于石油的稀缺，石油为基础的商品成本的增加，以及对垃圾填埋场倾倒非生物降解塑料的环境担忧日益增加(Chen, 2014)。

与使用特定的金属催化剂生产聚合物相比，细胞生产PHAs可能更“绿色”。将特定单体合成到PHA聚合物中依赖于许多因素，包括微生物生长的碳源类型(Lu等, 2009)。培养条件对诱导PHA的产生有主要影响，单个属的不同物种在暴露于相同的培养条件下甚至没有相同的生理反应(Shakeri等, 2011)。

当碳源过量或生长条件因其他营养因子下降而失衡时，就会诱发聚酯颗粒的产生等．2011)。多相萃取在多种微生物中进行了大量的研究固氮菌spp。(Khanafari等.， 2006)，乳酸菌(Ksekdau .等, 2003),芽孢杆菌spp. (Chaijamrus和Udpuay, 2008)，Ralstonia(Shakeri er al.， 2011)，氮单胞菌属sp。(曾等, 2013)副球菌denitrificans(Yamane, 1992),固氮菌vinelandii(Peralta-Gil等, 2002),沙雷氏菌属sp. (Keshavarz和Roy, 2010)，Sinorhizobiumsp。(Shakeri等, 2011),肠杆菌属aerogenes(Aslam等.， 2013)和一些转基因细菌，如大肠杆菌(Mullaney和Rehm, 2010)，气单胞菌属hydrophila(Enan and Bashady 2004)和真核生物酿酒酵母(Kocharin, 2013)。

微生物大规模生产PHB的可行性取决于低成本工艺的发展。据报道，PHB的商业生产是通过使用廉价的基质，如甲醇、甜菜糖蜜、乙醇、淀粉、乳清、糖蜜和大豆制品(Wei等, 2009)。Khanafari等．(2006)报道，PHB生产由固氮菌chroococcum在他们自己的研究中，没有额外盐的乳清肉汤介质可以高于其他检查的商业介质(Khanafari等．2006)。Ksekdau等．(2003)报道,乳酸菌乳酸菌与乳酸菌之间产生PHB最多，但PHB的产生与细胞密度无显著相关性(Ksekdau等, 2003)。Chaijamrus和Udpuay(2008)对PHB的生产进行了研究芽孢杆菌megaterium利用商业营养物，得出结论，当分别使用4%的糖蜜和4%的玉米休眠液作为碳源和氮源时，生长45h后产量最高(Chaijamrus和Udpuay, 2008)。

结论

随着代谢工程的实施，建立从生物合成途径生产化合物的工业生物技术得到了显著的推动，生产出产量和生产力更高的新产品(Kocharin等, 2012)。不可降解塑料垃圾的影响越来越大，是一个日益受到关注的环境问题(Enan等, 2004;Suriyamongkol等, 2007)。PHAs的多功能性使其在从生物医学领域到食品、包装、纺织和家用材料等各个领域的潜力研究成为很好的候选者(Keshavarz和Roy, 2010年)。可再生的PHAs可生物降解大分子聚酯是由许多原核微生物自然产生的，这些特点使它们优于石油基塑料的竞争对手。

根据PHAs微生物来源的不同，生物塑料在单体组成、大分子结构和物理性能上有所不同。它们中的大多数是可生物降解和生物兼容的，这使它们从生物技术的角度非常有趣(Luengo等, 2003)。PHA的生产成本仍然是PHA广泛使用的一个障碍，未来的趋势应该集中于开发更高效和经济的PHA生产工艺，分离，纯化和改善PHA材料性能。

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