日本科学家研制出比PET更坚固的可生物降解塑料

抖音热门 2025年09月04日 23:08 1 admin

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250904014137.htm

神户大学研究团队通过基因改造大肠杆菌，成功开发出一种性能卓越的生物可降解塑料PDCA，其物理特性超越传统PET塑料，同时实现了前所未有的产量突破。这项发表在《代谢工程》期刊的研究成果，标志着生物制造技术在替代石油基塑料领域取得重大进展。

全球塑料污染危机日益严重，传统石油基塑料的环境持久性和资源依赖性促使科学界寻求可持续替代方案。PET作为最广泛使用的塑料之一，年产量超过7000万吨，主要用于饮料瓶、食品包装和纺织纤维。然而，PET在自然环境中需要数百年才能分解，且生产过程高度依赖石油资源。

神户大学生物工程师田中疆领导的研究团队，将目光投向了一种名为PDCA（吡啶二羧酸）的化合物。这种含氮聚合物不仅具备完全生物可降解特性，在机械强度、热稳定性和化学抗性方面甚至超越PET性能。更重要的是，PDCA可以通过微生物发酵从可再生糖类原料中生产，为塑料工业的可持续发展提供了新路径。

技术突破：从设想到现实的跨越

神户大学的一个研究小组近日发表研究成果，他们在生物反应器中成功生产出PDCA（一种可生物降解的聚合物，其物理性能堪比甚至超越了PET），其浓度比之前报道的浓度高出七倍以上。图片来源：Tsutomu Tanaka

此前，含氮聚合物的生物生产面临严重技术瓶颈。传统化学合成路线不可避免地产生有毒副产物，而生物合成路线的产量极低，难以满足工业化需求。田中疆团队采用了全新的代谢工程策略，通过精密设计微生物代谢网络，实现了氮原子的高效整合。

研究团队对大肠杆菌进行了系统性基因改造，构建了从葡萄糖直接合成PDCA的完整代谢途径。这一过程涉及多个酶系统的协调表达，包括氮代谢关键酶的优化改造。最终在生物反应器中实现的PDCA浓度达到了此前报道水平的七倍以上，这一突破性提升为工业化生产奠定了基础。

田中疆表示："我们的方法证明了代谢反应可以用来结合氮元素，而不会产生不需要的副产物，从而实现目标化合物的清洁高效合成。"这种"无副产物"的生产特性不仅简化了下游分离纯化过程，也显著降低了环境影响和生产成本。

关键挑战的创新解决方案

研究过程中，团队遇到了一个严重的技术障碍：关键酶在催化过程中产生的过氧化氢会反过来攻击酶本身，导致催化活性迅速丧失。这种"自杀性"反应严重限制了产量提升的可能性。

面对这一挑战，研究团队通过系统优化培养条件，特别是添加特定的过氧化氢清除剂，成功解决了酶失活问题。虽然这种添加剂可能在大规模生产中带来额外成本考虑，但这一解决方案的成功应用展示了生物工程中问题导向型创新的重要性。

当前全球生物塑料市场规模约为130亿美元，预计到2028年将达到250亿美元。然而，现有生物塑料产品在性能上往往无法完全替代传统塑料，限制了其应用范围。PDCA的出现有望改变这一局面，其优异的物理化学性能使其在高要求应用场景中具备竞争优势。

产业化前景与挑战并存

PDCA技术的产业化仍面临多重挑战。首先是生产规模的扩大，从实验室规模向工业规模的转化需要解决发酵工艺优化、设备适配和成本控制等问题。其次是原料供应链的建立，虽然葡萄糖等糖类原料相对容易获得，但大规模生产对原料质量和稳定供应提出了更高要求。

成本竞争力是另一个关键因素。目前PET的生产成本约为每公斤1.2美元，而生物塑料的生产成本普遍较高。PDCA要实现市场化应用，必须在保持性能优势的同时，通过技术优化和规模效应降低生产成本。

监管框架也是不可忽视的因素。新型生物材料的商业化需要通过严格的安全性和环境影响评估，包括生物相容性测试、降解性能验证和生态毒理学评估等。欧盟和美国等主要市场对生物基材料制定了详细的认证标准，PDCA要进入这些市场需要满足相应要求。

尽管面临挑战，PDCA技术的突破意义重大。田中疆指出："能够在生物反应器中获得足够数量的产品，为下一步的实际应用奠定了基础。更广泛地说，我们在整合氮代谢酶方面的成就拓宽了微生物合成分子的范围，从而进一步提升了生物制造的潜力。"

这项研究不仅为可持续塑料生产提供了新思路，也为其他含氮化合物的生物合成开辟了道路。随着技术进一步成熟和成本持续降低，PDCA有望成为推动塑料工业绿色转型的重要力量，为解决全球塑料污染问题贡献科技力量。

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