改造細菌利用資源 餐廚垃圾里“長出”生物降解材料

　　◎本報記者 李 禾

　　研究人員通過改造嗜鹽菌，可以讓其在質量不穩定、不可滅菌的餐廚廢棄物水解物中生長，從而生產出可以完全降解的新型生物材料聚β―羥基丁酸酯。

　　隨著塑料消費量的逐年提高，各國陸續出臺禁塑令或限塑令，生物可降解塑料已成為熱門研究和產業化方向。5月8日，科技日報記者獲悉，清華大學聯合北京微構工場生物技術有限公司（以下簡稱微構工場）、諾維信（中國）生物技術有限公司等通過改造嗜鹽菌，可以讓其在質量不穩定、不可滅菌的餐廚廢棄物水解物中生長，從而生產出聚β―羥基丁酸酯（PHB），這證明了用餐廚廢棄物作為碳源，替代部分葡萄糖作為發酵底物或飼料生產生物降解材料的可行性。相關研究成果日前發表在《生物工程與應用微生物》上。

　　PHB是聚羥基脂肪酸酯（PHA）的一種。包括PHB在內的PHA，是一系列由微生物合成的天然高分子聚合物，能夠在有氧和無氧條件下實現生物降解，是可以完全降解的新型生物材料，也是完全由生物合成的碳中和生物降解材料。目前，我國已走在全球PHA產業化的前列，規劃產能超過10萬噸。

　　豐富餐廚廢棄物的資源化利用方式

　　“與傳統的垃圾填埋、焚燒處理方式不同，餐廚廢棄物資源化利用方式有3種，即高值化利用、能源化利用和肥料化利用。”同濟大學生態文明與循環經濟研究所所長杜歡政教授說。

　　高值化利用是指用餐廚廢棄物來養蟲子，再把蟲子作為飼料來喂養雞、鴨等動物。即通過餐廚廢棄物，把動植物蛋白轉換成昆蟲蛋白，再轉為動物蛋白。“高值化利用既可以增加蛋白來源，又可以解決廢棄物的資源化問題。”杜歡政說。

　　能源化利用是指餐廚廢棄物通過厭氧發酵，產生沼氣用以發電或烹飪等；肥料化利用是指通過堆肥的方式，把餐廚廢棄物轉化成有機肥料。

　　而用餐廚廢棄物來生產生物降解材料，為餐廚廢棄物資源化利用提供了一個全新的途徑。

　　改造后的嗜鹽菌不易受雜菌影響

　　由于PHA具有類似塑料的物理機械性能和加工性能，工業上可以采用微生物批量生產這種聚合物，并以此替代傳統塑料。

　　包括PHB在內的PHA生物合成主要分為3部分，即嗜鹽菌等底盤細胞、碳源、代謝途徑與調控。簡單來說，PHA生物合成是通過基因編輯等手段，令底盤細胞能生長得更快，能高效“吃掉”碳源，令細胞中的PHA“由瘦變胖”，提高碳源轉化為PHA的效率；然后再把凝聚在一起的細胞，從餐廚廢棄物水解物等培養液中分離、提純出來。

　　相比普通塑料動輒上百年的降解周期，PHA制品進入海洋后，約1―3年即可實現完全自然降解。同時，純PHA制品對海洋和陸地動物無害，甚至可以被動物食用。

　　不過，餐廚廢棄物成分復雜，用其來生產生物降解材料并不容易，“染菌”就是其中的主要問題。“染菌”是指除PHB生產菌，即嗜鹽菌以外的雜菌在培養液中進行生長代謝，它不僅與嗜鹽菌競爭生存資源，還會嚴重影響目標產物的產量，給發酵過程帶來較大的經濟損失。因此，在發酵流程中需要利用高溫高壓蒸汽對整個發酵設備進行徹底滅菌，這一過程能耗較大。

　　微構工場等在合成生物技術平臺的助力下，通過對嗜鹽菌重新設計和構建，開創了一整套全新的PHA生產技術。改造后的嗜鹽菌能在開放、無滅菌的情況下發酵，不易被其他雜菌影響，具備在餐廚廢棄物水解物中生長的能力。

　　研究人員還發現，適當降低鹽濃度和接近中性的pH值可能會進一步增加細胞干重和PHB的積累。經反復試驗調整，最終結果表明，在細胞生長過程中，當pH值為7時，細胞內的PHB合成酶具有最佳活性，更有利于PHB的合成，這也使得餐廚廢棄物得到了更好的利用。

　　新一代嗜鹽菌還可利用廢甘油、乙酸等進行生產

　　在PHA產業化進程中，成本控制是一個核心難點。微構工場聯合創始人吳赴清說，嗜鹽菌發酵不需要高溫、高壓滅菌，因此在規模化生產時，建設生產線的要求和成本較低。以餐廚廢棄物作為碳源來生產降解材料，成本還將進一步降低。

　　根據普華永道發布的《PHA生物可降解塑料產業白皮書》，PHA優秀的降解與物理性能、日漸成熟的生產技術、不斷擴大的市場規模等，都將為PHA產業的發展提供強勁的驅動力，使其成為最具成長潛力的生物可降解材料。預計在未來3―5年內，全球PHA市場規模將達629億元，主要市場集中在不便于回收的強需求場景，如一次性包裝材料、一次性餐飲具等。

　　微構工場研發團隊也表示，除餐廚廢棄物外，基于下一代工業生物技術體系的新一代嗜鹽菌還可以利用不少廢棄碳源進行生產，例如秸稈水解物、廢甘油、糖蜜、乙酸等，能更好應對環境和經濟挑戰。