改造细菌利用资源 餐厨垃圾里“长出”生物降解材料

研究人员通过改造嗜盐菌，可以让其在质量不稳定、不可灭菌的餐厨废弃物水解物中生长，从而生产出可以完全降解的新型生物材料聚β—羟基丁酸酯。

　　随着塑料消费量的逐年提高，各国陆续出台禁塑令或限塑令，生物可降解塑料已成为热门研究和产业化方向。5月8日，科技日报记者获悉，清华大学联合北京微构工场生物技术有限公司（以下简称微构工场）、诺维信（中国）生物技术有限公司等通过改造嗜盐菌，可以让其在质量不稳定、不可灭菌的餐厨废弃物水解物中生长，从而生产出聚β—羟基丁酸酯（PHB），这证明了用餐厨废弃物作为碳源，替代部分葡萄糖作为发酵底物或饲料生产生物降解材料的可行性。相关研究成果日前发表在《生物工程与应用微生物》上。

　　PHB是聚羟基脂肪酸酯（PHA）的一种。包括PHB在内的PHA，是一系列由微生物合成的天然高分子聚合物，能够在有氧和无氧条件下实现生物降解，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，我国已走在全球PHA产业化的前列，规划产能超过10万吨。

　　丰富餐厨废弃物的资源化利用方式

　　“与传统的垃圾填埋、焚烧处理方式不同，餐厨废弃物资源化利用方式有3种，即高值化利用、能源化利用和肥料化利用。”同济大学生态文明与循环经济研究所所长杜欢政教授说。

　　高值化利用是指用餐厨废弃物来养虫子，再把虫子作为饲料来喂养鸡、鸭等动物。即通过餐厨废弃物，把动植物蛋白转换成昆虫蛋白，再转为动物蛋白。“高值化利用既可以增加蛋白来源，又可以解决废弃物的资源化问题。”杜欢政说。

　　能源化利用是指餐厨废弃物通过厌氧发酵，产生沼气用以发电或烹饪等；肥料化利用是指通过堆肥的方式，把餐厨废弃物转化成有机肥料。

　　而用餐厨废弃物来生产生物降解材料，为餐厨废弃物资源化利用提供了一个全新的途径。

　　改造后的嗜盐菌不易受杂菌影响

　　由于PHA具有类似塑料的物理机械性能和加工性能，工业上可以采用微生物批量生产这种聚合物，并以此替代传统塑料。

　　包括PHB在内的PHA生物合成主要分为3部分，即嗜盐菌等底盘细胞、碳源、代谢途径与调控。简单来说，PHA生物合成是通过基因编辑等手段，令底盘细胞能生长得更快，能高效“吃掉”碳源，令细胞中的PHA“由瘦变胖”，提高碳源转化为PHA的效率；然后再把凝聚在一起的细胞，从餐厨废弃物水解物等培养液中分离、提纯出来。

　　相比普通塑料动辄上百年的降解周期，PHA制品进入海洋后，约1—3年即可实现完全自然降解。同时，纯PHA制品对海洋和陆地动物无害，甚至可以被动物食用。

　　不过，餐厨废弃物成分复杂，用其来生产生物降解材料并不容易，“染菌”就是其中的主要问题。“染菌”是指除PHB生产菌，即嗜盐菌以外的杂菌在培养液中进行生长代谢，它不仅与嗜盐菌竞争生存资源，还会严重影响目标产物的产量，给发酵过程带来较大的经济损失。因此，在发酵流程中需要利用高温高压蒸汽对整个发酵设备进行彻底灭菌，这一过程能耗较大。

　　微构工场等在合成生物技术平台的助力下，通过对嗜盐菌重新设计和构建，开创了一整套全新的PHA生产技术。改造后的嗜盐菌能在开放、无灭菌的情况下发酵，不易被其他杂菌影响，具备在餐厨废弃物水解物中生长的能力。

　　研究人员还发现，适当降低盐浓度和接近中性的pH值可能会进一步增加细胞干重和PHB的积累。经反复试验调整，最终结果表明，在细胞生长过程中，当pH值为7时，细胞内的PHB合成酶具有最佳活性，更有利于PHB的合成，这也使得餐厨废弃物得到了更好的利用。

　　新一代嗜盐菌还可利用废甘油、乙酸等进行生产

　　在PHA产业化进程中，成本控制是一个核心难点。微构工场联合创始人吴赴清说，嗜盐菌发酵不需要高温、高压灭菌，因此在规模化生产时，建设生产线的要求和成本较低。以餐厨废弃物作为碳源来生产降解材料，成本还将进一步降低。

　　根据普华永道发布的《PHA生物可降解塑料产业白皮书》，PHA优秀的降解与物理性能、日渐成熟的生产技术、不断扩大的市场规模等，都将为PHA产业的发展提供强劲的驱动力，使其成为最具成长潜力的生物可降解材料。预计在未来3—5年内，全球PHA市场规模将达629亿元，主要市场集中在不便于回收的强需求场景，如一次性包装材料、一次性餐饮具等。

　　微构工场研发团队也表示，除餐厨废弃物外，基于下一代工业生物技术体系的新一代嗜盐菌还可以利用不少废弃碳源进行生产，例如秸秆水解物、废甘油、糖蜜、乙酸等，能更好应对环境和经济挑战。

本报记者 李 禾