基因工程论文卢彩霞.doc

转基因植物生产生物可降解塑料的研究进展 卢彩霞 (化学与生物工程学院 生物0802) 摘要：PHA以其完全的生物可降解性、 良好的物理加工特性以及生物相容性而被作为替代化学合成塑料、 消除塑料垃圾污染的最具吸引力的选择. 采用细菌发酵法已实现了小规模的商业化生产 , 但价格昂贵 , 不能同化学合成塑料相竞争. 利用转基因植物生产 PHA有望使其价格下降至合成塑料的水平. 目前已将 PHB 及 PHBV 合成有关基因转入植物体中并获得表达 ,但远未达到商业化生产的要求. 加强植物体内碳代谢调控、 脂肪酸代谢调控以及 PHA 合成的生化与分子机制的研究将是实现这一目标的关键. 关键词 　PHA　PHB　PHBV　 转基因植物 　 生物可降解塑料 化学合成塑料正日益广泛地渗透到各行各业和人们的日常生活中 , 成为现代社会不可缺少的重要高分子材料. 但其固有的不可降解性却使大量的塑料废弃物对环境造成严重的污染 , 而且由于目前废弃塑料的回收利用率很低 , 又造成资源的巨大浪费.传统的以末端治理 为主的塑料垃圾处理方法虽然能在一定程度上减轻塑料垃圾的污染 , 但代价昂贵 , 且易造成二次污染. 因此 , 在人类环境保护意识日益提高的今天 , 研制与开发可降解塑料 , 减轻污染已是当务之急 , 势在必行. 目前世界上许多国家都在积极开展这方面的研究 , 并已有许多产品问世. 如将光敏基团或者淀粉、 纤维素、 微生物聚酯等掺入聚乙烯、 聚丙烯等 ,这类塑料可被光解或微生物分解成微小片段 , 使其结构完整性受到破坏 , 从而减轻环境污染 , 但形成的微小塑料片段极有可能造成二次污染 , 所以对这类部分可降解塑料目前仍存有异议. 还有一种完全以微生物聚酯为原料制成的塑料 , 在自然条件下可被一些微生物完全分解利用 , 从而不会对环境造成任何污染. 聚232羟基链烷酸酯(polyhydroxyalkanoate , PHA)便是其中较为重要并已经开始投放市场的一种塑料原材料. PHA除具有完全的生物降解性外 , 还具有与化学合成塑料(从聚丙烯到合成橡胶)相似的物理机械特性 , 以及较好的生物相容性 , 因此有着广阔的应用前景. 十几年来人们对它进行了微生物学、 生物化学以及分子生物学等多方面的研究 ,积累了丰富的资料 , 并通过细菌发酵法进行了小规模的生产 , 目前正在进行转基因植物生产PHA的研究 , 可望通过转基因植物这个生物反应器实现大规模生产 PHA , 以解决用细菌发酵法生产成本及价格过高的问题. 本文拟着重就转基因植物生产 PHA的进展情况做一综述. 1．PHA简介 PHA是某些微生物处于非平衡生长状态下(如缺乏氮、 磷、 镁等)细胞内合成的一种贮藏性聚酯 , 在细菌中的功能类似植物中的淀粉和动物中的脂肪. PHA 包括一大类物质 , 现已在300多种细菌包括革兰氏阴性菌和阳性菌中发现 PHA 的合成 , 有 90 种以上的 PHA 被鉴定.其骨架为D2( - )2羟基链烷酸单体(图1) , 随 R基团、 共聚单体、 链的长短以及羟基的位置(如32 ,42 ,52)而异可形成不同的PHA[1 ]. 根据单体的组成可将其分为3类:第1类为短链脂肪酸共聚体 ,含 C3～C5单体 , 如 PHB(poly232hydroxybutyrate , 聚32羟基丁酸酯) ;第 2 类为中等长链脂肪酸共聚体 ,含 C6～C14单体 , 如 PHO(poly232hydroxy octanoate , 聚32羟基辛酸酯) ;第 3 类为不同单体之间形成的共聚物 , 如 PHBV(poly232hydroxybutyrate2CO232hydroxyvalerate , 32羟基丁酸酯与32羟基戊酸酯的共聚物) . 不同的 PHA物理机械特性不一样 ,只有少数 PHA 可作为生产生物可降解塑料的原材料. 因此选择特性优良的 PHA , 是转基因植物生产 PHA 的首要步骤.PHB 由于是发现最早、 存在最广泛、 研究得最清楚的一种 PHA , 又具有较好的机械加工特性 ,同 PHBV一起被作为细菌发酵法及转基因植物生产的最早目标 , 也是当前实现商业化生产的仅有的两种 PHA. 本文将以它们作为介绍的重点. 2．PHA的生物合成及其分子机制 PHB 的合成有3步法和 5 步法两种途径[2 ]. 大多数细菌如 Alcaligenes eutrophus 等采用 3步法:先由β 2酮硫裂解酶(EC 2.3.1. 16)催化乙酰C oA生成乙酰乙酰C oA , 乙酰乙酰C oA在依赖NADPH的乙酰乙酰 C oA还原酶(EC 1. 1. 1. 36)的作用下被还原成D( - )232羟丁酰 C oA , 最后由 PHB 合酶催化单体的D( - )232羟丁酰