婁文勇 吳有權(quán) 郭澤望 宗敏華
(華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510640)
塑料是一種由碳和氫聚合而成的材料,不僅與我們的日常生活息息相關(guān),而且廣泛應(yīng)用于工業(yè)上[1- 12]。據(jù)不完全統(tǒng)計,2018年全球塑料產(chǎn)量達(dá)到3.59億噸,平均每秒就賣出二十萬個塑料瓶,然而只有9%被重新回收利用[13]。其中,聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)是最重要的熱塑性塑料之一,相比于其他傳統(tǒng)材料(如木材、混凝土和金屬),PET擁有許多顯著的優(yōu)勢,如不易斷裂,輕便,耐腐蝕等[14- 20]。然而,在PET需求日益增長的同時,也造成了固體廢棄物的堆積,PET占據(jù)了城市固體垃圾的很大一部分[21- 24],一旦處理不當(dāng),便會帶來一系列的健康和環(huán)境問題,比如地下水污染、溫室氣體排放、火災(zāi)和人體疾病等[25]。目前處理廢棄PET的主要方法有填埋、焚燒、再生造粒和熱解[26],其中不論是填埋還是焚燒,都會對環(huán)境造成巨大的破壞[27],而再生造粒和熱解等方法所需反應(yīng)條件苛刻,工藝成本高昂等[28- 29]。因此,尋找綠色的降解方法迫在眉睫!
近年來,利用生物法降解PET塑料引起了廣泛的關(guān)注,其實質(zhì)是利用酶降解塑料。生物降解法具有反應(yīng)條件相對溫和、環(huán)境綠色友好的優(yōu)點,降解后得到的產(chǎn)物能夠被回收利用,符合可持續(xù)發(fā)展的理念,被認(rèn)為是最理想的PET廢棄物處理方法。Yoshida等[30]從廢棄PET回收點的土樣中,分離到一株可消化分解PET的細(xì)菌——坂井艾德昂菌(Ideonellasakaiensis)。該菌首先分泌PET水解酶將PET降解成對苯二甲酸甲基- 2-羥乙酯(MHET),再將MHET轉(zhuǎn)運入體內(nèi),并在MHET水解酶的作用下最終降解為單體對苯二甲酸(TPA)和乙二醇(EG)。此后,又有多個性能不同的PET降解酶陸續(xù)被報道。其中,葉分支堆肥角質(zhì)酶(LCC)經(jīng)過兩步級聯(lián)催化,可以將PET直接降解為TPA和EG單體[31],因此將LCC用于PET的生物降解具有很大潛能。
LCC(EC 3.1.1.74)屬于絲氨酸水解酶家族[32],具有典型的絲氨酸-組氨酸-天冬氨酸催化三聯(lián)體[33- 37],來源于不同細(xì)菌的角質(zhì)酶水解PET的活性大相徑庭,但是都很低[38]。超聲波是一種頻率為20~106 kHz的機(jī)械波,它可以加速某些化學(xué)反應(yīng),如促進(jìn)化學(xué)物質(zhì)的水解效率。超聲廣泛應(yīng)用于輔助天然產(chǎn)物的提取[38]、脂質(zhì)的催化酯化和酯交換[39- 41]、食品加工[42]、以及生化工程/生物技術(shù)如生物廢水處理和生物修復(fù)[43- 45]。然而,應(yīng)用超聲波輔助生物降解PET的研究卻鮮見報道。在本項研究中,首次使用超聲波來輔助LCC生物降解PET,再優(yōu)化重要的反應(yīng)條件,如溫度、pH超聲功率和超聲時間,以期獲得最佳的催化效果。
pET- 26b(+)-LCC由生工生物工程(上海)股份有限公司合成,大腸桿菌BL21(DE3)購自生工生物工程(上海)股份有限公司。
肉湯(LB)培養(yǎng)基原料及其他常規(guī)試劑均為分析純,乙腈、甲酸為色譜純,溴化鉀為光譜純,均購自廣州市叢源儀器有限公司;異丙基β-半乳糖苷(IPTG)、卡那霉素、苯二甲酸(TPA),均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;PET購自東莞市騰揚翔實業(yè)有限公司。
YY- 040HAL2型超聲波清洗機(jī),上海允延儀器有限公司生產(chǎn);T27型傅里葉變換紅外光譜及紅外顯微鏡,德國布魯克公司生產(chǎn);EVO18型掃描電子顯微鏡,德國蔡司公司生產(chǎn);UltiNate3000型高效液相色譜儀,美國Waters公司生產(chǎn);TENSOR27型圓二色光譜,英國Applied Photophysics公司生產(chǎn);SCIENTZ-IID型超聲細(xì)胞破碎儀,寧波新芝生物科技股份有限公司生產(chǎn);Five Easy Plus型pH計,梅特勒-托利多儀器有限公司生產(chǎn);Gel Doc TM XR+型凝膠成像系統(tǒng),美國Bio-Rad公司生產(chǎn);Mini-PROTEIN Tetra 1658003型垂直蛋白電泳槽、Bio-ScaleTMMini NuviaTMIMAC型Ni離子親和層析柱,美國Bio-Rad公司生產(chǎn);UV- 2550型紫外可見光光度計,日本島津公司生產(chǎn)。
1.4.1 角質(zhì)酶LCC的誘導(dǎo)表達(dá)與純化
取2 μL重組質(zhì)粒,加入到100 μLEscherichiacoliBL21(DE3)感受態(tài)細(xì)胞中,輕柔混勻后冰浴30 min后,取出后置入42 ℃恒溫水浴90 s,然后立即冰浴5 min,再加入1 mL LB培養(yǎng)基,在搖床中振蕩復(fù)蘇培養(yǎng)1 h(37 ℃、180 r/min)。復(fù)蘇結(jié)束后,取100 μL涂布在含有卡那霉素(50 μg/mL)抗性的LB固體培養(yǎng)基中,37 ℃培養(yǎng)過夜,所得單菌落即為E.coliBL21(DE3)-pET- 26b(+)-LCC。挑取單菌落至含有卡那霉素(50 μg/mL)的LB中培養(yǎng)12 h,作為種子液。接種1%體積的種子液于含有卡那霉素(50μg/mL)的LB中,37 ℃、180 r/min擴(kuò)大培養(yǎng)至菌液D(600)在0.6~0.8,冷卻至室溫后,加入終濃度為0.2 mmol/L的IPTG,于16 ℃、160 r/min培養(yǎng)20 h進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá)。角質(zhì)酶LCC的分離純化及鑒定參考文獻(xiàn)[46]和《分子克隆》[47]。
1.4.2 TPA的檢測與LCC酶活測定
使用高效液相色譜檢測TPA,色譜柱為Ec-lipse Plus-C18柱(5 μm,4.6×150 mm,Agilent),柱溫30 ℃。流動相A為0.1%體積比的甲酸水溶液,B為純乙腈,流速為0.8 mL/min,采用梯度洗脫,95%A和5%B在15 min內(nèi)緩慢改變成54.5%A和45.5%B,紫外檢測波長為254 nm[48]。LCC酶活單位定義為:在特定的反應(yīng)條件下,每分鐘水解BHET產(chǎn)生相當(dāng)于1 μmol TPA,所需要的酶量為 1個活性單位(1 U)。
1.4.3 PET表面結(jié)構(gòu)分析
采用掃描電子顯微鏡(SEM)對不同超聲反應(yīng)條件下PET的表面性能的變化進(jìn)行微觀形貌觀察,電壓為10 kV,用高能電子束在PET表面掃描,產(chǎn)生不同信號,通過這些信號檢測PET表面形貌。
1.4.4 LCC的二級結(jié)構(gòu)檢測
配制1 mg/mL的LCC溶液,在不同功率超聲5 h后,采用圓二色光譜儀(CD)測定LCC在190~260 nm處的圓二色光譜,再用圓二色光譜分析軟件Pro-Data和CDNN來計算LCC的二級結(jié)構(gòu)含量;將超聲后的LCC樣品冷凍干燥,按質(zhì)量比1:10與光學(xué)純溴化鉀研磨混合壓片,采用傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)測定LCC在400~4 000 cm-1處的紅外光譜,再用PeakFit v4.12計算LCC的二級結(jié)構(gòu)含量。
1.4.5 LCC動力學(xué)常數(shù)的測定方法
PET的單體對苯二甲酸二乙酯(BHET)被用作測量PET降解酶活性的替代品[48]。在5 mL螺口血清瓶中加入不同濃度(1、2、4、6、8、10、15、20 mmol/L)的BHET、終質(zhì)量濃度為0.02 mg/mL的酶液,再用100 mmol/L pH8.0 K2HPO4-KH2PO4的緩沖液補(bǔ)足至5 mL,65 ℃精確反應(yīng)10 min,沸水浴15 min終止反應(yīng),用第1.4.2節(jié)的方法檢測TPA的濃度,用GraphPad Prism7來模擬出回歸方程,得出最大反應(yīng)速度Vmax和動力學(xué)參數(shù)Km,LCC的分子質(zhì)量為28.84 ku,再算出轉(zhuǎn)化數(shù)kcat。
1.4.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理
所有數(shù)據(jù)均重復(fù)測定3次,使用Excel2017和GraphPad Prism7處理數(shù)據(jù)和作圖。
將表達(dá)載體pET- 26b(+)-LCC轉(zhuǎn)化到菌株E.coliBL21(DE3)后,利用誘導(dǎo)劑IPTG進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá)。LCC的表達(dá)量和活性不僅與表達(dá)載體、菌株相關(guān),還與誘導(dǎo)表達(dá)條件密切相關(guān)。通過對單一因素設(shè)置系列梯度,來對誘導(dǎo)條件進(jìn)行優(yōu)化。IPTG濃度分別為0.05、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 mmol/L、誘導(dǎo)溫度分別為12、16、20、25、30 ℃、誘導(dǎo)時間分別為16、20、24、28 h。
2.1.1 誘導(dǎo)條件的優(yōu)化
不同IPTG濃度、誘導(dǎo)溫度、誘導(dǎo)時間都對LCC表達(dá)有所影響,IPTG濃度過低,LCC的表達(dá)量低,導(dǎo)致LCC的比活偏低;而IPTG對pET- 26b(+)來說具有一定毒性,濃度過高會抑制細(xì)胞生長,影響生物量的積累。相比于其他IPTG濃度組的重組LCC的相對活性,IPTG濃度為0.2 mmol/L條件下重組LCC的相對活性最高,因此,選擇IPTG濃度為0.2 mmol/L。誘導(dǎo)溫度過低,細(xì)胞的生長緩慢,生物量偏低,LCC的表達(dá)量相應(yīng)地也會降低;誘導(dǎo)溫度過高,細(xì)胞生長迅速,蛋白質(zhì)大量表達(dá)以至于部分LCC不能正確折疊而形成無活性的包涵體。相比于其他誘導(dǎo)溫度組的重組LCC的相對活性,誘導(dǎo)溫度為16 ℃條件下重組LCC的相對活性最高,因此,選擇誘導(dǎo)溫度為16 ℃。誘導(dǎo)時間過短,生物量和蛋白表達(dá)量都很低;誘導(dǎo)時間過長,培養(yǎng)基營養(yǎng)枯竭,有害物質(zhì)積累,細(xì)胞死亡,生物量和蛋白表達(dá)量因此而降低。相比于其他誘導(dǎo)時間組的重組LCC的相對活性,誘導(dǎo)時間為20 h條件下重組LCC的相對活性最高,因此,選擇誘導(dǎo)時間為20 h。
2.1.2 LCC的分離純化
由于LCC攜帶了6個組氨酸標(biāo)簽,所以使用Ni親和層析柱分離純化在最優(yōu)條件下誘導(dǎo)表達(dá)的LCC。SDS-PAGE電泳結(jié)果如圖1所示,在35和25 ku之間出現(xiàn)單一條帶,與理論值28.84 ku相符合。使用Brad-Ford試劑盒測定純化前后的蛋白濃度,再測定純化前后的酶活等,結(jié)果見表1。純化后的酶活為320.27 U/mg,酶活回收率為64.29%,純化倍數(shù)為5.13。
泳道M—預(yù)染蛋白Marker;泳道1—含空載體pET- 26b(+)的E.coli BL21(DE3)全蛋白;泳道2—含載體pET- 26b(+)的E.coli BL21(DE3)全蛋白;泳道3—經(jīng)蛋白純化儀純化后的LCC圖1 LCC純化的SDS-PAGE分析Fig.1 SDS-PAGE analysis of LCC during purificatuion
在生物催化反應(yīng)中,溫度是一個重要的參數(shù),高溫或低溫環(huán)境下,都會影響LCC的活性和反應(yīng)效率。因此,確定最適反應(yīng)溫度顯得尤為重要。
在不同溫度下測定LCC的活性,如圖2(a)所示。在50~65 ℃之間,TPA濃度隨著溫度升高而升高,65 ℃時,LCC活性達(dá)到最高,隨著溫度進(jìn)一步升高,LCC活性降低甚至失活。此外,PET結(jié)晶度也會隨溫度升高而升高,而結(jié)晶度越高,PET被降解的效率就越低[49- 50]。70 ℃和75 ℃條件下,達(dá)到65 ℃時PET結(jié)晶度的兩倍分別需要15 h和5 h[31]。與溫度類似,較高和較低的pH都會影響LCC的活性,LCC在pH=8.0時具有最高活性(見圖2(b))。
表1 LCC的純化Table 1 Purification of LCC
(a)溫度
(b)pH值圖2 溫度和pH值對LCC活性的影響Fig.2 Effect of temperature and pH on the activity of LCC
超聲波穿透能力極強(qiáng)、能量很大,在介質(zhì)中具有加熱功能、機(jī)械傳質(zhì)作用、空化作用。由超聲引起的空化現(xiàn)象會產(chǎn)生大量包含反應(yīng)液蒸氣的微氣泡,微氣泡在PET和反應(yīng)液之間的寬界面(大于200 μm)處不對稱塌陷,并以高速(大于100 m/s)向PET表面產(chǎn)生微射流[51],而且微氣泡的瞬時破裂也會產(chǎn)生高達(dá)103MPa的強(qiáng)烈沖擊波[52],反應(yīng)液朝著或遠(yuǎn)離微氣泡的劇烈運動形成的微對流可以加劇反應(yīng)液與PET之間的碰撞,從而促進(jìn)LCC對PET的解聚作用[53]。另一方面,由空化現(xiàn)象引起的LCC的結(jié)構(gòu)變化拓寬了LCC的底物通道。然而,超聲功率過高、時間過長,LCC的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改變,趨向于不合理構(gòu)象,導(dǎo)致LCC失活。與此同時,較高功率的超聲所產(chǎn)生的瞬間空化作用會形成大量的高能量自由基,其會攻擊LCC發(fā)生化學(xué)變化,影響LCC結(jié)構(gòu),使LCC活性降低。不僅如此,高強(qiáng)度的微射流和沖擊波會破壞LCC結(jié)構(gòu),甚至?xí)袻CC剪切成小碎片,而使其活性降低甚至失活,變得不利于PET的降解。
2.3.1 超聲功率和時間對LCC活性的影響
LCC在不同超聲功率和時間下的活性如圖3所示,在超聲功率為25 W時,超聲2.5~10.0 h都會加速PET的降解,其中超聲5.0 h效果最好,超聲7.5 h和10.0 h降解48 h后的效果還不如未經(jīng)超聲處理的。其原因可能是超聲時間過長,導(dǎo)致酶結(jié)構(gòu)被破壞,穩(wěn)定性受到影響;在超聲功率為150 W時,超聲對于LCC降解PET來說已經(jīng)是一個不利因素。分析所有數(shù)據(jù)后得到,LCC降解PET的最佳超聲輔助條件是超聲功率25 W、超聲時間5 h,降解24 h后,TPA質(zhì)量濃度從0.72 g/L提升到0.87 g/L。米氏常數(shù)只與LCC的性質(zhì)有關(guān),而與濃度無關(guān)。因此,米氏常數(shù)的變化說明超聲波處理改變了LCC的結(jié)構(gòu)。LCC降解PET的動力學(xué)參數(shù)見表2。超聲功率為25 W時,最大反應(yīng)速度Vmax是未超聲的1.67倍,Km是未經(jīng)處理的0.85倍,說明超聲功率為25 W時,LCC與PET的親和力更高,降解效率有所提高,反應(yīng)更快。
(a)25 W
(b)50 W
(c)75 W
(d)100 W
(e)125 W
(f)150 W圖3 超聲功率和超聲時間對LCC活性的影響Fig.3 Effect of ultrasonic power and ultrasonic time on the activity of LCC
圖4 單獨超聲處理和共超聲處理對LCC降解PET的影響Fig.4 Effect of ultrasonic treatment alone and co-ultrasonic treatment on degradation of PET by LCC
2.3.2 單獨超聲處理和共超聲處理對LCC降解PET的影響
研究了單獨超聲處理和共超聲處理對LCC降解PET的影響,單獨超聲組是先在最佳超聲條件(25 W超聲5 h)下處理后再用于降解反應(yīng),共超聲處理是在最佳超聲條件(25 W超聲5 h)下進(jìn)行降解反應(yīng),結(jié)果如圖4所示。兩種處理方式的降解效率相近,說明單獨超聲處理和共超聲處理對LCC降解PET的影響相同。
為進(jìn)一步說明超聲加速了LCC降解PET,利用SEM分析了超聲功率為25 W、超聲時間為5 h時的PET表面降解情況,結(jié)果如圖5所示。未經(jīng)任何處理的PET表面光滑無凹痕(見圖5(a)),超聲和未加LCC都不會改變PET的結(jié)構(gòu)(見圖5(b)
表2 LCC降解PET的動力學(xué)參數(shù)Table 2 Kinetics parameters for PET biodegradation by LCC
和5(c))。加入LCC但未經(jīng)超聲處理條件下降解5 h后,其表面出現(xiàn)明顯凹凸不平的裂痕、凹槽、顆粒感(見圖5(d)),而在25 W超聲輔助下,PET的表面破壞更加明顯,出現(xiàn)了更多的裂痕、凹槽和碎片化(見圖5(e)和5(f))。這說明相比于未超聲,25 W超聲加速了LCC對PET的降解。
(a)未經(jīng)任何處理
(b)緩沖液中未加酶也未超聲
(c)25 W超聲未加酶
(d)加酶未超聲
(e)25 W超聲加酶(100×)
(f)25 W超聲加酶(500×)圖5 不同處理條件下的PET表面掃描電鏡圖Fig.5 SEM photos of PET surface under different processing conditions
蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈主鏈在空間中的規(guī)則折疊和纏繞,這取決于氨基酸殘基的非側(cè)鏈基團(tuán)之間的氫鍵[54];LCC二級結(jié)構(gòu)的變化可以說明超聲輔助降解PET的原因。主要的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)有α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角、β-折疊和無規(guī)則卷曲,就支撐蛋白結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性而言,α-螺旋>β-轉(zhuǎn)角>β-折疊>無規(guī)則卷曲,但就功能而言,酶的活性中心通常是在無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)中[55]。
2.5.1 圓二色光譜分析
采用CD來檢測和計算不同超聲功率超聲5 h后的二級結(jié)構(gòu)的差異,結(jié)果如圖6所示。與未經(jīng)處理的結(jié)果相比,超聲功率為25 W時,無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)所占比例為45.4%,明顯高于未經(jīng)處理的34.2%,β-折疊結(jié)構(gòu)所占比例為23.3%,降低了35.6%,β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)所占比例為14%,降低了15.5%,而α-螺旋結(jié)構(gòu)所占比例為17.3%,高于其他超聲處理組。結(jié)果說明,25 W超聲時,不僅會加速降解效率,而且對LCC的穩(wěn)定性影響較小。
(a)圓二色光譜
(b)二級結(jié)構(gòu)占比圖6 不同超聲功率處理后LCC的CD和二級結(jié)構(gòu)占比Fig.6 CD and the proportion of secondary structure of LCC after treatment with different ultrasonic power
2.5.2 傅里葉變換紅外光譜分析
采用FT-IR來檢測和計算不同超聲功率超聲5 h后的二級結(jié)構(gòu)的差異,在LCC的紅外光譜圖中,主要由LCC二級結(jié)構(gòu)的紅外吸收子峰疊加而形成的酰胺Ⅰ帶是LCC二級結(jié)構(gòu)變化的敏感區(qū)域。因此,選擇酰胺Ⅰ帶(1 600~1 700 cm-1)譜圖,使用PeakFit v4.12軟件,進(jìn)行基線校正、Savitsk-Golay函數(shù)平滑、高斯去卷積和多次二階導(dǎo)數(shù)擬合處理,不同超聲功率下超聲5 h后的LCC二級結(jié)構(gòu)定性定量信息如圖7所示。未經(jīng)處理時,無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)所占比例為27.4%,低于所有超聲處理組,說明超聲處理后,LCC二級結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向無序化;未經(jīng)超聲處理時,α-螺旋結(jié)構(gòu)所占比例為32.8%,β-折疊結(jié)構(gòu)所占比例為20.3%,都高于所有超聲處理組,說明超聲處理后,LCC二級結(jié)構(gòu)整體有從α-螺旋、β-折疊向無規(guī)則卷曲轉(zhuǎn)變的趨勢,進(jìn)而說明超聲會加速LCC降解PET,但其穩(wěn)定性會受到一定程度的影響。
(a)0 W
(b)25 W
(c)50 W
(d)75 W
(e)100 W
(f)125 W
(g)150 W
(h)二級結(jié)構(gòu)占比圖7 不同超聲功率處理后LCC的FT-IR譜圖和二級結(jié)構(gòu)占比Fig.7 FT-IR spectra and the proportion of secondary structure of LCC after treatment with different ultrasonic power
李冰等[56]研究了超聲對過氧化氫酶二級結(jié)構(gòu)的影響,研究結(jié)果顯示,超聲處理后過氧化氫酶的α-螺旋、β-折疊結(jié)構(gòu)均有下降,其中β-折疊結(jié)構(gòu)下降明顯,下降了12.3%;β-轉(zhuǎn)角、無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量增加,過氧化氫酶的二級結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)出由有序向無序變化的趨勢。本研究中,經(jīng)超聲處理后的LCC二級結(jié)構(gòu)由α-螺旋、β-折疊向無規(guī)則卷曲轉(zhuǎn)變;這說明經(jīng)過超聲作用后LCC的結(jié)構(gòu)變得更加無序,LCC的性質(zhì)也因此發(fā)生了相應(yīng)的變化。
結(jié)果表明,超聲可以加速LCC降解PET,最佳反應(yīng)條件為65 ℃,pH=8.0,超聲功率為25 W,超聲時間5 h。在此超聲輔助條件下,降解24 h后PET的降解效率是未超聲的1.21倍,TPA質(zhì)量濃度從0.72 g/L增加到0.87 g/L,值得高度重視。
通過掃描電鏡證實了超聲對LCC降解PET的影響,相比于未經(jīng)處理,25 W超聲功率下超聲5 h確實可以加速PET的降解。此外,圓二色光譜和傅里葉變換紅外光譜檢測LCC二級結(jié)構(gòu)的變化可用于解釋超聲加速LCC降解PET的原因,即LCC二級結(jié)構(gòu)整體上從α-螺旋和β-折疊向無規(guī)則卷曲轉(zhuǎn)變,進(jìn)而造成其活性的變化。這為超聲加速降解提供了一定的理論依據(jù),同時也可作為超聲輔助的其他酶促反應(yīng)的參考,也為白色污染的生物降解開創(chuàng)了新思路。