研究人員通過改造嗜鹽菌，可以讓其在質(zhì)量不穩(wěn)定、不可滅菌的餐廚廢棄物水解物中生長，從而生產(chǎn)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(xù)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(chǎn)業(yè)化方向。5月8日，科技日報記者獲悉，清華大學(xué)聯(lián)合北京微構(gòu)工場生物技術(shù)有限公司(以下簡稱微構(gòu)工場)、諾維信(中國)生物技術(shù)有限公司等通過改造嗜鹽菌，可以讓其在質(zhì)量不穩(wěn)定、不可滅菌的餐廚廢棄物水解物中生長，從而生產(chǎn)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(fā)酵底物或飼料生產(chǎn)生物降解材料的可行性。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《生物工程與應(yīng)用微生物》上。

PHB是聚羥基脂肪酸酯(PHA)的一種。包括PHB在內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)業(yè)化的前列，規(guī)劃產(chǎn)能超過10萬噸。

豐富餐廚廢棄物的資源化利用方式

“與傳統(tǒng)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(xué)生態(tài)文明與循環(huán)經(jīng)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(yǎng)蟲子，再把蟲子作為飼料來喂養(yǎng)雞、鴨等動物。即通過餐廚廢棄物，把動植物蛋白轉(zhuǎn)換成昆蟲蛋白，再轉(zhuǎn)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(fā)酵，產(chǎn)生沼氣用以發(fā)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(zhuǎn)化成有機肥料。

而用餐廚廢棄物來生產(chǎn)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(yè)上可以采用微生物批量生產(chǎn)這種聚合物，并以此替代傳統(tǒng)塑料。

包括PHB在內(nèi)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(diào)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(zhuǎn)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(yǎng)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(xiàn)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(fù)雜，用其來生產(chǎn)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(chǎn)菌，即嗜鹽菌以外的雜菌在培養(yǎng)液中進行生長代謝，它不僅與嗜鹽菌競爭生存資源，還會嚴(yán)重影響目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量，給發(fā)酵過程帶來較大的經(jīng)濟損失。因此，在發(fā)酵流程中需要利用高溫高壓蒸汽對整個發(fā)酵設(shè)備進行徹底滅菌，這一過程能耗較大。

微構(gòu)工場等在合成生物技術(shù)平臺的助力下，通過對嗜鹽菌重新設(shè)計和構(gòu)建，開創(chuàng)了一整套全新的PHA生產(chǎn)技術(shù)。改造后的嗜鹽菌能在開放、無滅菌的情況下發(fā)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(fā)現(xiàn)，適當(dāng)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(jīng)反復(fù)試驗調(diào)整，最終結(jié)果表明，在細胞生長過程中，當(dāng)pH值為7時，細胞內(nèi)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(chǎn)

在PHA產(chǎn)業(yè)化進程中，成本控制是一個核心難點。微構(gòu)工場聯(lián)合創(chuàng)始人吳赴清說，嗜鹽菌發(fā)酵不需要高溫、高壓滅菌，因此在規(guī)?；a(chǎn)時，建設(shè)生產(chǎn)線的要求和成本較低。以餐廚廢棄物作為碳源來生產(chǎn)降解材料，成本還將進一步降低。

根據(jù)普華永道發(fā)布的《PHA生物可降解塑料產(chǎn)業(yè)白皮書》，PHA優(yōu)秀的降解與物理性能、日漸成熟的生產(chǎn)技術(shù)、不斷擴大的市場規(guī)模等，都將為PHA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強勁的驅(qū)動力，使其成為最具成長潛力的生物可降解材料。預(yù)計在未來3—5年內(nèi)，全球PHA市場規(guī)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(gòu)工場研發(fā)團隊也表示，除餐廚廢棄物外，基于下一代工業(yè)生物技術(shù)體系的新一代嗜鹽菌還可以利用不少廢棄碳源進行生產(chǎn)，例如秸稈水解物、廢甘油、糖蜜、乙酸等，能更好應(yīng)對環(huán)境和經(jīng)濟挑戰(zhàn)。

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