一种过氧化物及角质酶联合处理聚乙烯的方法

1.本发明涉及一种过氧化物及角质酶联合处理聚乙烯的方法，属于环境科学、材料学及酶工程领域。


背景技术：

2.聚乙烯是由碳碳单键做为骨架连接而成的高分子聚合物，是最简单的聚烯烃类高聚物，在日常生活被广泛使用。然而，伴随的后果是聚烯烃垃圾的广泛分布以及其对生态系统和生物健康带来的巨大压力。因此，聚乙烯垃圾的降解一直是困扰全球的问题。相较于物理或化学方法，生物法在降解聚烯烃方面展现出耗能低、环保的优势。
3.由于碳碳单键较高的键能(330
–
370kj mol-1
)，生物酶催化聚乙烯降解需要先进行活化。目前，氧化处理手段主要包括uv、强酸强碱或无机氧化剂的处理，生成的官能团主要为羟基、羰基、碳碳双键等。在上述预处理的基础上，目前已报到了部分氧化还原酶能够降解聚乙烯。如漆酶(lac)能够降解uv氧化聚乙烯，重均分子量损失约20％；木质素过氧化物酶(lip)及锰过氧化物酶(mnp)能够在黑液介质下降解k2cr2o7氧化的聚乙烯；乳胶清除蛋白(lcp)催化uv氧化的聚乙烯后重均分子量损失约42.02％。上述预处理方式虽能有效提高生物酶的降解作用，但是目前并未有研究明确这些酶的利用含氧基团降解聚乙烯的机制。


技术实现要素：

4.针对目前存在的问题，本发明将一种过氧化物及角质酶联合处理聚乙烯的方法，所述方法先使用间氯过氧苯甲酸(mcpba)催化baeyer-villiger反应向聚乙烯的主链碳碳单键上添加酯键，再使用thermobifida fusca来源的角质酶催化水解反应降解所述酯键，从而达到降解聚乙烯的目的。
5.在一种实施方式中，所述间氯过氧苯甲酸与聚乙烯(ldpe)的质量比为(1～5)：1。
6.在一种实施方式中，所述thermobifida fusca来源的角质酶具有seq id no.1所示的氨基酸序列。
7.在一种实施方式中，所述角质酶的催化时间≥1天，5天或7天。
8.在一种实施方式中，所述方法包括如下步骤：
9.(1)将ldpe溶解于1,3,5-三氯苯-二氯乙烷混合溶液，80～120℃搅拌溶解10～14h；添加mcpba并在80～120℃催化6～10h；加入甲醇沉淀ldpe并过滤，再用甲醇洗涤3-4次去除溶剂，烘至恒重，获得含酯键的氧化聚乙烯；
10.(2)将步骤(2)制备的含酯键的氧化聚乙烯加入至角质酶酶液中，于55～65℃反应至少1天。
11.在一种实施方式中，所述1,3,5-三氯苯-二氯乙烷混合溶液是以等体积比将1,3,5-三氯苯和二氯乙烷混合制成。
12.在一种实施方式中，所述ldpe以1:(10～20)的比例溶解于1,3,5-三氯苯-二氯乙烷混合溶液。
gmh h(s)ht2与tskgel h hfrc串联色谱柱及tsk guardcolumn h(s)ht2(21489)保护柱，检测温度145℃，进样量300μl，洗脱溶液1,2,4-二氯苯，洗脱时间50min，洗脱流速1.0ml/min。
27.酶活的检测方法：
28.tris-hcl缓冲液(10mm ph 7.0)：准确称取tris 1.210g、nacl 0.584g、加入约800ml去离子水，充分搅拌溶解，用hcl调节ph至8.0，定容至1000ml。
29.底物(50mmol/l的对硝基苯丁酸酯溶液)：准确称取0.1046g对硝基苯丁酸酯，用乙腈定容至10ml，-20℃保存。
30.对硝基苯酚标准曲线的制作：称取13.9mg对硝基苯酚，用10mm ph 7.0tris-hcl缓冲液定容至1000ml，配制成100μmol/l的对硝基苯酚母液，再用10mm ph 7.0的tris-hcl缓冲液稀释至0、20、40、60、80、100μmol/l。用0.5cm玻璃比色皿在分光光度计上测定波长为405nm时的吸光值，以对硝基苯酚浓度c为横坐标，吸光值a为纵坐标，绘制标准曲线a＝a
×
c+b。
31.用5ml的移液管准确移取1.5ml tris-hcl缓冲液(37℃提前温育10min)至0.5cm玻璃比色皿中，在吸收波长405nm处调零。取1.44ml tris-hcl缓冲液至0.5cm石英比色皿中，取30μl待测稀释酶液加入上述石英比色皿中，取30μl底物溶液，加入上述石英比色皿中，摇匀后立即放入可见分光光度计中，在吸收波长405nm处测a值。每隔5秒钟记录一次a值，反应时间为1分钟。
32.计算：
[0033][0034]
式中：k：酶反应所测不同时间a值和时间(min)所成曲线的斜率；
[0035]v1
：反应体积(ml)；
[0036]v2
：加酶量(ml)；
[0037]
n：稀释倍数。
[0038]
酶活定义为在65℃、ph8.0的环境下，每min催化对硝基苯丁酸酯水解生成1μmol所对硝基苯酚的酶量为一个酶活单位(u)。
[0039]
实施例1：t.fusca角质酶的制备
[0040]
(1)将合成的如seq id no.2所示的角质酶核苷酸序列通过限制性内切酶插入至pet24a的ndeⅰ位点和xhoⅰ位点之间，得到重组质粒pet24a-tfc；再将构建的重组质粒pet24a-tfc转化至大肠杆菌(escherichia coli)jm109，得到转化产物；将转化产物涂布在lb固体培养基(含有40μg/ml卡那霉素)上，于37℃恒温培养箱中倒置培养8～12h，得到转化子；挑取转化子接种至lb液体培养基中，于37℃、120～180rpm的条件下摇瓶培养8～12h后提取质粒进行测序验证，验证正确的菌株于30％甘油中保藏。
[0041]
(2)将步骤(1)获得的表达t.fusca角质酶的重组大肠杆菌按0.1％的接种量接种于10ml lb液体培养基中，加入40ngμl-1
的卡那霉素。在37℃，200rpm条件下培养8-12h后，按照5％接种量转接于50ml tb培养基中，加入40ngμl-1
卡那霉素。在37℃，200rpm条件下培养2h至od
600
＝0.8后添加iptg至终浓度为0.4mm，再置于25℃恒温培养48h。8000rpm，15min离心后上清即为粗酶液，酶活为110.1u/ml。
[0042]
实施例2间氯过氧苯甲酸氧化处理聚乙烯
[0043]
(1)体系优化
[0044]
利用mcpba对聚乙烯进行预处理，针对1,2,4-tcb及dce混合溶液溶解的ldpe进行氧化处理。具体步骤为：(1)将50g/l ldpe溶解于以1:1的体积比混合的1,3,5-三氯苯-二氯乙烷混合溶液，于100℃搅拌溶解12h；(2)添加mcpba并在100℃催化8h；(3)加入等体积甲醇沉淀ldpe并过滤，之后用甲醇洗涤3-4次去除溶剂，后续将样品放置在烘箱中烘至恒重，所得样品即为含酯键的氧化聚乙烯。
[0045]
其中，步骤(2)分别设计ldpe：mcpba的质量比为1:1、1:4、1:5。
[0046]
分别测定反应结束后的氧化聚乙烯样品的分子量，结果显示，催化剂比例为1:1、1:4、1:5所制备的氧化聚乙烯样品的重均分子量分别为26936da、11053da及7121da，数均分子量分别为2033da、581da及214da。
[0047]
(2)对ldpe：mcpba的质量比为1:5的产物检测
[0048]
按照如下步骤制备含酯键的氧化聚乙烯：将50g/l ldpe溶解于以1:1的体积比混合的1,3,5-三氯苯-二氯乙烷混合溶液，于100℃搅拌溶解12h；(2)添加mcpba，使mcpba与步骤(1)加入的ldpe的比例为5：1，再于100℃催化8h；(3)加入等体积甲醇沉淀ldpe并过滤，之后用甲醇洗涤3-4次去除溶剂，后续将样品放置在烘箱中烘至恒重，获得被催化为淡黄色粉末的含酯键的氧化聚乙烯。ft-ir结果显示，与聚乙烯相比，氧化聚乙烯样品中检测到1770-1640cm-1的-c＝o伸缩峰，且该峰为双峰，峰值为1738cm-1
及1711cm-1
，分别对应酯羰基和酮羰基。1h nmr结果显示样品中不同官能团的比例为a:e:k＝22:36:42，tf＝4.36。ht-gpc结果显示，与聚乙烯相比，氧化聚乙烯的重均分子量及数均分子量均有显著降低(mw＝7121；mn＝214)。上述结果表明，mcpba催化体系能够使聚乙烯在溶解状态下进行碳碳单键的活化，添加含氧官能团(羟基、羰基及酯键)。
[0049]
实施例3：thermobifida fusca来源的角质酶处理氧化聚乙烯
[0050]
(1)体系优化
[0051]
将实施例1步骤(2)中获得氧化聚乙烯做为底物，t.fusca角质酶加酶量为4200u/g氧化聚乙烯，在60℃，150rpm条件下分别反应1d、3d或7d。将催化结束后，于500目尼龙网过滤得到产物样品依次使用2％(w/v)sds、去离子水、75％乙醇分别超声处理30min，放置在烘箱中烘干得到角质酶处理后的氧化聚乙烯。分别测定反应结束后的氧化聚乙烯样品的重均分子量，结果显示，反应时间分别为1d、3d及7d所制备的氧化聚乙烯样品的重均分子量分别为4862da、4257da及3779da，数均分子量分别为29da、27da及33da。
[0052]
(2)产物检测
[0053]
对处理7d后的降解产物进行检测。与氧化聚乙烯相比，降解产物的颜色相较氧化聚乙烯更深。ft-ir结果显示，1650-1550cm-1
及3700～3000cm-1
范围内出现羧酸盐及羟基吸收峰，角质酶处理的氧化聚乙烯中1770-1640cm-1
的-c＝o伸缩峰中酯羰基低于酮羰基，而氧化聚乙烯中二者含量接近。同时，1h nmr显示角质酶处理后的氧化聚乙烯中不同官能团比例a、e、k为28:28:44，tf＝3.95。相较于氧化聚乙烯，角质酶处理的氧化聚乙烯中酯键含量降低。1hnmr的结果进一步证明了
cpba
pe中的部分酯键被角质酶水解产生了新的物质。ht-gpc结果显示角质酶处理的氧化聚乙烯重均分子量相较于氧化聚乙烯降低至47.4％。整体而言，t.fusca角质酶能够与氧化聚乙烯中的酯键发生水解反应并有效降低其重均分子量。但是核磁结果显示仍存在酯键未降解，这可能是由于t.fusca角质酶无法与氧化聚乙烯内部
存在的酯键接触。
[0054]
表1聚乙烯、氧化聚乙烯及角质酶处理后样品的ht-gpc和1h nmr检测结果
[0055][0056]
实施例4：间氯过氧苯甲酸联合thermobifida fusca来源的角质酶处理聚乙烯
[0057]
具体步骤为：
[0058]
(1)将50g/l ldpe溶解于以1:1的体积比混合的1,3,5-三氯苯-二氯乙烷混合溶液，于100℃搅拌溶解12h；添加mcpba，使mcpba与加入的ldpe的比例为(1～5)：1，再于100℃催化8h；加入等体积甲醇沉淀ldpe并过滤，之后用甲醇洗涤3-4次去除溶剂，后续将样品放置在烘箱中烘至恒重，获得含酯键的氧化聚乙烯。
[0059]
(2)将步骤(1)中获得氧化聚乙烯做为底物，t.fusca角质酶加酶量为4200u/g氧化聚乙烯，在60℃，150rpm条件下反应1～7d。将催化结束后，于500目尼龙网过滤得到产物样品依次使用2％(w/v)sds、去离子水、75％乙醇分别超声处理30min，放置在烘箱中烘干得到角质酶处理后的氧化聚乙烯。结果显示角质酶处理的氧化聚乙烯重均分子量相较于氧化聚乙烯降低约33.8％～47.4％。
[0060]
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。