研究人員通過(guò)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(zhǎng)，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(fèi)量的逐年提高，各國(guó)陸續(xù)出臺(tái)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?qǐng)?bào)記者獲悉，清華大學(xué)聯(lián)合北京微構(gòu)工場(chǎng)生物技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱微構(gòu)工場(chǎng))、諾維信(中國(guó))生物技術(shù)有限公司等通過(guò)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(zhǎng)，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(wú)氧條件下實(shí)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(guó)已走在全球PHA產(chǎn)業(yè)化的前列，規(guī)劃產(chǎn)能超過(guò)10萬(wàn)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(jì)大學(xué)生態(tài)文明與循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究所所長(zhǎng)杜歡政教授說(shuō)。

高值化利用是指用餐廚廢棄物來(lái)養(yǎng)蟲子，再把蟲子作為飼料來(lái)喂養(yǎng)雞、鴨等動(dòng)物。即通過(guò)餐廚廢棄物，把動(dòng)植物蛋白轉(zhuǎn)換成昆蟲蛋白，再轉(zhuǎn)為動(dòng)物蛋白。“高值化利用既可以增加蛋白來(lái)源，又可以解決廢棄物的資源化問(wèn)題。”杜歡政說(shuō)。

能源化利用是指餐廚廢棄物通過(guò)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(guò)堆肥的方式，把餐廚廢棄物轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料。

而用餐廚廢棄物來(lái)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(gè)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(jī)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(xì)胞、碳源、代謝途徑與調(diào)控。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，PHA生物合成是通過(guò)基因編輯等手段，令底盤細(xì)胞能生長(zhǎng)得更快，能高效“吃掉”碳源，令細(xì)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(xì)胞，從餐廚廢棄物水解物等培養(yǎng)液中分離、提純出來(lái)。

相比普通塑料動(dòng)輒上百年的降解周期，PHA制品進(jìn)入海洋后，約1—3年即可實(shí)現(xiàn)完全自然降解。同時(shí)，純PHA制品對(duì)海洋和陸地動(dòng)物無(wú)害，甚至可以被動(dòng)物食用。

不過(guò)，餐廚廢棄物成分復(fù)雜，用其來(lái)生產(chǎn)生物降解材料并不容易，“染菌”就是其中的主要問(wèn)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(jìn)行生長(zhǎng)代謝，它不僅與嗜鹽菌競(jìng)爭(zhēng)生存資源，還會(huì)嚴(yán)重影響目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量，給發(fā)酵過(guò)程帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在發(fā)酵流程中需要利用高溫高壓蒸汽對(duì)整個(gè)發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行徹底滅菌，這一過(guò)程能耗較大。

微構(gòu)工場(chǎng)等在合成生物技術(shù)平臺(tái)的助力下，通過(guò)對(duì)嗜鹽菌重新設(shè)計(jì)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(wú)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(zhǎng)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(huì)進(jìn)一步增加細(xì)胞干重和PHB的積累。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)調(diào)整，最終結(jié)果表明，在細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中，當(dāng)pH值為7時(shí)，細(xì)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(jìn)行生產(chǎn)

在PHA產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，成本控制是一個(gè)核心難點(diǎn)。微構(gòu)工場(chǎng)聯(lián)合創(chuàng)始人吳赴清說(shuō)，嗜鹽菌發(fā)酵不需要高溫、高壓滅菌，因此在規(guī)?；a(chǎn)時(shí)，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(lái)生產(chǎn)降解材料，成本還將進(jìn)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(kuò)大的市場(chǎng)規(guī)模等，都將為PHA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力，使其成為最具成長(zhǎng)潛力的生物可降解材料。預(yù)計(jì)在未來(lái)3—5年內(nèi)，全球PHA市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)629億元，主要市場(chǎng)集中在不便于回收的強(qiáng)需求場(chǎng)景，如一次性包裝材料、一次性餐飲具等。

微構(gòu)工場(chǎng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)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?gòu)U棄碳源進(jìn)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(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。

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