紫外线与臭氧预处理促进PET纺织品的选择性生物降解

来自 实验室仪器网

最近发表的一项研究探讨了紫外线臭氧(UVO)预处理如何使用PETase增强混合棉/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纺织品的酶促分解。该研究比较了野生型PETase(WT)和改良突变体(MUTS238F/W159H)的性能，并评估了三种旨在提高酶可及性的预处理方法：碱处理、UVO暴露和自然阳光风化。

纺织品消费对环境的影响持续增长，不到一半的旧衣服被收集起来再利用，只有约1%的旧衣服被回收制成新衣服。现有的回收方法，包括机械方法和化学方法，通常能耗高且效率低下，尤其是在处理混纺面料时。

酶法回收通过选择性地破坏特定的化学键，提供了更有针对性的解决方案。然而，纺织品中PET的有效降解取决于酶与这些化学键的结合能力。对于消费后PET（尤其是织物中的PET），聚合物的结晶性会阻碍酶的相互作用，因此预处理是提高酶效率的必要步骤。

在此背景下，本研究考察了各种预处理技术对商用棉/PET混纺纺织品（35%棉/65%PET）PETase介导降解的影响。研究人员根据纺织品重量损失以及主要PET降解产物：对苯二甲酸(TPA)和单(2-羟乙基)对苯二甲酸(MHET)的生成，评估了WT和MUTPETase的性能。

WT和MUTPETase酶在大肠杆菌中表达并纯化，用于实验。采用分光光度法测量酶浓度。

为了测试预处理方法，将PET棉纺织品样品在30°C下浸入0.1、1和10M氢氧化钠(NaOH)溶液中24小时，并不断摇晃。

在UVO预处理过程中，使用波长为253.7nm、辐射功率为28-32mW/cm²的UVO清洗机对织物进行照射。清洗后的织物正反两面分别暴露5分钟或30分钟，并在准分子灯下暴露18小时。

在紫外线阳光预处理条件下，纺织品样品被放置在西班牙卡斯特利翁的室外自然环境暴露下长达三个夏季月份。

预处理后，将未经处理和经处理的纺织品样品置于含有纯化PETase（每克PET含2毫克酶）的50mM甘氨酸-NaOH缓冲液（pH9.0）中，在30°C或40°C下孵育1至14天。孵育后，用蒸馏水彻底冲洗纺织品样品，并在40°C下真空干燥20小时，然后称重，以评估因降解造成的材料损失。

使用傅里叶变换红外（FTIR）光谱和扫描电子显微镜分析表面和化学变化。使用高效液相色谱（HPLC）和核磁共振（NMR）光谱检查周围溶液，以量化PET降解产物。

碱处理导致纺织品样品中的PET和棉成分非特异性降解，导致明显的重量损失，但对酶选择性几乎没有改善。

NaOH分解聚合物的效果有限，可能是因为加工温度适中（30°C），这有助于保持整体纺织品结构，同时允许一些化学变化。

相比之下，UVO处理虽然也会导致一些非特异性的重量减轻，但却以协同的方式显著增强了PETase活性。

UVO照射时长对降解结果的影响至关重要：长时间照射（18小时）导致几乎完全降解为对苯二甲酸（TPA），而较短时间照射（30分钟）则主要生成单-(2-羟乙基)对苯二甲酸（MHET）。降解产物随时间的变化表明，PET分解途径的控制水平有望提高。

在自然环境条件下暴露三个月的纺织品样品，WTPETase活性仅略有提高，而MUTPETase变体的性能略有下降。尽管纺织品表面发生了明显的可见变化，但这种情况仍然存在。

FTIR分析表明，阳光照射可能优先改变棉花而不是PET，这表明环境条件下纤维特定的光降解过程会产生影响。

该研究还揭示了WT和MUTPETase产生的降解产物的明显差异，凸显了针对特定回收需求定制功能工程酶的潜力。

在评估的预处理方法中，UVO脱颖而出，成为最有效的方法。得益于紫外线和臭氧的共同作用，UVO通过提高可及性和酶活性，增强了PETase介导的降解。

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