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哈佛大学《自然·子刊》细菌培养物制备生物降解和可涂覆水生塑料

时间:2021-04-07 02:27:16 点击:982次

哈佛大学《自然·子刊》细菌培养物制备生物降解和可涂覆水生塑料

背景

大多数常规塑料是不可降解的,会在垃圾填埋场、海洋和水道中积累,因此塑料污染是一个日益恶化的环境问题。现有热门解决的方案是开发下一代回收技术和可生物降解的生物塑料。聚乙烯醇(PVA)是最普遍的水溶性塑料,广泛用于包装和涂料。尽管由PVA组成的散装材料可以溶于水,但该聚合物是由石油化学衍生的乙烯通过自由基聚合反应合成的。此外, PVA在天然固体基质(例如土壤和堆肥)及水体中的生物降解能力非常有限,通常需数月至数年。与在非水介质中从合成的和不可生物降解获得的塑料相比,从水中的生物组分生产的塑料是更绿色的制造方法。此外,微生物衍生的可生物降解的生物塑料是常规塑料的有吸引力的替代品,因为它们提供了更全面的可持续生命周期。

哈佛大学《自然·子刊》细菌培养物制备生物降解和可涂覆水生塑料

基于此,哈佛大学Neel S. Joshi团队开发了直接从细菌培养物中制备、可水处理的一种新型的生物塑料。在制备过程中,几乎不需要纯化,可以很容易地从水凝胶状态加工成大块材料(图1a–c)。水生塑料的机械性能可与石化塑料和其他生物塑料相媲美。此外,水塑塑料具有独特的水可加工特性,如水塑,水焊和水修复。文章“Water-processable, biodegradable and coatable aquaplastic from engineered biofilms”发表在期刊《nature chemical biology》。

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图1:直接从工程微生物生物膜中制备水生塑料。a–c,通过基因工程细菌进行水生塑料制造,这些细菌经过编程可生产基于卷曲纤维的功能性水凝胶,该水凝胶可模制成二维(2D)和三维(3D)结构(a),并进行水生焊接(b)以及水塑塑料的水疗(c)。SDS,十二烷基硫酸钠;GdmCl,氯化胍。d,生物膜水生塑料柔韧性。e,3D模制的水生塑料。

结果解析

【水性塑料的制造】

水生塑料由重组产生的生物膜基质蛋白组成。卷曲纤维单体(CsgA)与人细胞因子三叶因子(TFF2)融合,并以十二烷基硫酸钠(SDS)作为胶凝剂,能够简单地通过过滤细菌培养物来收获水凝胶。作者通过改变卷曲纤维单体(CsgA)合成两种类型的凝胶——生物膜水生塑料和curli水生塑料,它们都可以浇铸到表面或模具上,以形成塑料膜。

传统的热塑性塑料和热固性塑料会在高温下熔融以形成半固体,然后将其成型为所需的形状,而将水凝胶浇铸在具有所需形状的模板上并在环境条件下干燥以使其成型,则可制成水塑料。当将生物膜/curli水凝胶浇铸在柔软或柔软的平坦表面上时,它们会形成易于剥离的塑料膜(图1d)。生物膜水性塑料具有足够的柔韧性,可以反复扭曲成螺旋形而不会起皱或破裂。由于构成的卷曲纤维具有显着的坚固性,生物膜水塑塑料还可通过浇铸在聚苯乙烯泡沫塑料模具制成圆锥形、碗形、管状和空心球形等三维(3D)结构(图1e)。

【水性塑料的理化特性】

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图2:水塑料的物理和化学性质。a – c,TGA热分析图(a),DSC热分析图和生物膜水生塑WAXS强度分布图(c)。d – g,通过纳米压痕测试获得的力学性能:在单个压痕循环(d)中最大压痕载荷为1 mN时的载荷-位移曲线,杨氏模量(e),硬度(f)和屈服强度(g)。 h – j,通过拉伸试验获得的生物膜水生塑料和卷曲水生塑料的力学性能。k,与纳米纤维素的生物膜相比,生物膜水生塑料和卷曲水生塑料的生物降解分析

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图3:耐化学腐蚀的水生塑料及其模板化的表面结构特性。a,水生塑料在有机溶剂氯仿、强酸(98%硫酸)和强碱(18M氢氧化钠)后2分钟或24小时的图片。b,场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像显示了通过环境干燥在各个表面(上排)上对生物膜水凝胶进行模板化而在生物膜水上塑料上转移的图案(下排)。

【模板化和可涂覆的水生塑料】

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图4:水生塑料的水生修复和水生焊接。a,通过在磨损部位添加水,使生物膜水生塑料的划痕和割伤得到修复。b,平行和垂直取向的两个生物膜水塑板的水焊接合。c,水生生物膜水塑塑料的应力-应变曲线。d,通过水焊生物膜水族塑料的拉伸试验获得的杨氏模量。e,由塑料焊接2D面板构成的塑料房屋。

参考文献:doi.org/10.1038/s41589-021-00773-y

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