聚乳酸降解菌的筛选及其降解过程优化与解析

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传统石油基不可降解的塑料,使用后被废弃于环境中,焚烧和填埋的处理方法都会对环境造成很大破坏;而且,不能再生的石油资源日益紧缺,急需开发不依赖石油的新材料。生物可降解材料成为解决以上问题的希望,其中,生物基可降解材料聚乳酸(PLA)以其来源于可再生资源、良好的材料性能和可降解性被寄予厚望。研究能够降解PLA的微生物及酶对于阐明PLA降解机制和扩大PLA应用有着重要作用。本研究从土壤中分离筛选得到一株可以有效降解膜状PLA的菌株,然后对影响其降解PLA的因素进行了优化,并初步解析了聚乳酸膜的降解过程及参与其中的酶。本研究得到的主要结果如下。以PLA为唯一碳源筛选得到一株可以以PLA为唯一碳源生长、有效降解PLA的菌株,经16S rDNA鉴定为Lentzea waywayandensis,该菌可以有效降解膜状PLA,对颗粒状、片状PLA、PBS和PHB的降解能力很弱。仅以明胶作为碳源培养L. waywayandensis,该菌能够较好生长,且促进了对PLA的降解,以含有25g/L明胶的基本培养基培养L. waywayandensis后转接到含PLA膜的基本培养基中,PLA膜的失重率提高了28.9%,达到76.4%。在摇瓶水平上研究了不同菌龄、接种量、温度、pH、氮源、PLA膜添加量及不同金属离子对L. waywayandensis降解PLA的影响。研究结果表明,接种5%(v/v)对数后期的菌种于30°C和pH7.5条件下培养,利于菌体生长和PLA降解,当培养基初始pH高于7.5,PLA自身水解明显;降解培养基中,不同有机、无机氮源的组合对PLA降解也有显著影响,(NH42SO4与牛肉膏的组合利于PLA降解;降解培养基中PLA膜的量从0.1%提高至0.5%,PLA失重率也有所提高;将降解培养基中含有的金属阳离子分别去除,并另外在原培养基的基础上分别添加了NiSO4、ZnSO4、CoSO4、CuSO4和EDTA,发现去除Ca2+、Mn2+、Fe2+和添加Ni2+对PLA降解影响不大,而去除Mg2+及添加EDTA、Zn2+、Co2+和Cu2+则显著抑制了PLA的降解。为尝试解析PLA降解过程,每2d取样观察材料表面变化情况,发现随着时间推移菌体生长,PLA膜由完整到破碎、由平整到凹凸粗糙、由厚变薄、出现明显坑洞,而对照组的膜表面则依然平整。同时,间歇取样测定PLA失重率、细胞干重、乳酸含量和pH的变化情况,发现PLA质量快速下降和细胞干重的积累主要集中在前15d,而乳酸含量先升后降,相应地pH先稍微下降后又回升。以去脂奶粉平板培养L. waywayandensis,菌体可以分泌胞外蛋白酶并在平板上生长、形成透明圈;PLA降解过程中,在发酵液上清中也检测到了明显的蛋白酶活变化曲线,对照组则没有;以乳酸为唯一碳源培养L. waywayandensis,菌体也能生长,说明L.waywayandensis能够吸收利用PLA降解过程可能产生的乳酸。
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