背靠大海合成生物塑料 阻断白色污染不是梦

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在过去的50年里，世界上留下了70亿吨塑料垃圾，这被称为“白色污染”。塑料垃圾是对海洋最明显的污染。根据《科学》杂志，每年有800万吨塑料被冲入海中。更可怕的是，它们产生的大量塑料颗粒通过海鲜和海盐进入人体，造成巨大伤害。解决“白色污染”的危害一直是全世界科学家的一个重要方向。

最近，外国媒体报道称，以色列特拉维夫大学利用最新技术研发制造了一种生物塑料聚合物。这个过程不需要土地和淡水，而是来自以海藻为食的微生物。它是可生物降解的，可以产生零毒性垃圾，并可以回收成为有机废物。什么是生物技术背景？国内发展前景如何？带着一系列问题，记者采访了相关科学家。

石化塑料一旦合成就很难降解

普通塑料聚酯是由不可再生的石油通过多元醇和多元酸缩聚而成。由于其方便、耐用、防水和价格低廉，所以被广泛使用。

2018年国际生物大会主席、清华大学合成与系统生物学中心主任陈国强教授告诉记者，目前全世界每年仅生产1 . 2亿吨一次性塑料产品，其中只有10%被回收利用，另外12%被焚烧，超过70%被丢弃到土壤、空气体和海洋中。

在中国，每年只有35万吨的农膜留在土壤中，残膜率为42%。农田0-30 cm耕层残留大量农膜，对农业生产和安全构成极大威胁。塑料废弃物造成的“白色污染”如此严重，最重要的原因在于塑料的化学性质。塑料是由单体聚合而成的高分子聚合物，如聚乙烯和聚苯乙烯。与其他垃圾不同，环境中的分解者和微生物不能消化和降解塑料中连接单体的化学键，因此它们不能再次分解成单体形式。换句话说，一旦合成了塑料，就没有回头路了。

有没有可能生产出这样一种物质，它具有与传统塑料相同的优良聚合物性能，并且很容易被微生物降解成单体？国际生物聚酯学术界几十年来一直努力工作。

从海藻养殖中寻找新的碳源

解决塑料废弃物溢出的唯一方法是用生物塑料来代替，生物塑料不使用石油，降解速度快。但是一般来说，生物塑料也有环境成本。培育生物基质需要肥沃的土壤和淡水，而许多国家却没有。

这项新成果是由亚历山大·古尔伯格博士和以色列特拉维夫大学化学学院的迈克尔·古辛教授合作完成的，它利用一种地中海野生型微生物在模拟海藻水解物培养基中生成一种叫做多羟基脂肪酸酯(pha)的聚合物。用这种聚合物制成的生物塑料不仅无毒，而且能成为营养物质，被微生物分解利用，反馈到自然环境中。然而，利用微生物和藻类生产生物可降解塑料仍然面临许多挑战，包括对葡萄糖纯碳源的依赖、生产不同类型pha的有机替代品的技术要求、下游加工中的污染以及可能使用大量溶剂。

“用海水培养藻类的想法很好。海洋面积很大，大型海藻如海带比食物生长得快。”陈国强教授介绍说，这一成果的创新之处在于找到了一种新的生物聚酯碳源。

在中国，以玉米、马铃薯和木薯为原料合成的生物聚酯的性能接近传统塑料制品，并已被一些欧洲制造商认可。"我们开发的生物塑料甚至可以被动物吃掉."陈国强说，依靠传统生物学的知识储备和基因合成、测序、系统生物学、生物信息学等技术的进步，最新的研究使pha结构不断发展和变化，能够满足各种应用。除了用于包装材料、农用薄膜、纤维、生物燃料等。pha在医药、化妆品、动物饲料等方面有着非常广阔的市场前景。

使用藻类作为原料仍然是一个新概念

基于包括中国科学家在内的前沿成就，古尔伯格和他的合作编辑在国际知名期刊《生物资源技术》上说，缺乏廉价和可用的底物阻碍了pha的大规模生产。它们利用大型藻类，并能获得主要基于该基质的用于pha生产的碳基质。在海洋中，大多数藻类，包括海带、红藻和褐藻，都有这种能力。然而，由于藻类的增殖，会造成水体富营养化，其治理是一个大问题。因此他们重点研究了一种不仅具有修复水环境功能，而且可以用来生产pha的绿色巨型藻类，这有望为生物聚酯的生产提供一种可持续的解决方案。

他们最初筛选了七种藻类，它们具有不同的pha合成生产潜力。从试验组合中，绿藻组合获得了最大pha产率。他们还研究了不同浓度的水解产物对pha的影响，并确定了新合成的pha的结构特征，发现其与以前使用其他碳源作为底物的报道相同。研究结果表明，在近海生长的海藻可以作为生物聚合物长期生产的可持续和环境友好的替代品，在实验示范过程中不使用淡水生产pha，这表明扩大可持续过程规模的可能性，这是生物加工和生物炼制技术发展的一个进步。

然而，陈国强教授认为，这仍然是一个新概念，它应该在20或30年后实现大规模生产，特别是在成本控制方面，这是非常困难的低至聚乙烯。此外，在海洋中收获藻类的成本相对较高。

中国“蓝水生物技术”工艺完成中试

陈国强教授介绍说，生物工业比传统化学工业有明显的优势。大多数生物反应需要温和的条件，而不需要苛刻的条件，如高温和高压。所用原料和代谢废物对环境无害，因此生物聚酯的研究在世界范围内发展迅速。在中国，生物降解塑料，特别是生物聚酯如聚乳酸(pla)、多羟基脂肪酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbat)和二氧化碳共聚物(ppc)的基础研究和产业化进展迅速，领先于国际同行。

据悉，由清华大学生命科学学院发起的“下一代工业生物技术”已于2017年12月完成pha工业化生产的中试，实现了低成本无灭菌开放式连续发酵pha的大规模生产能力。为了实现该技术的快速产业化，在清华大学的支持下，北京蓝晶微生物技术有限公司的R&D团队开发了一种基于嗜盐微生物的低成本生产技术——“蓝水生物技术”，对pha合成工艺进行了革命性变革，中试生产基地已经建成并投入生产。预计未来五年，中国pha成本将持续下降，市场份额将大幅增加。

中国的“蓝水生物技术”，一方面可以实现无杀菌的开放式连续发酵，降低杀菌过程中的能耗及其带来的复杂操作和人工成本，实现高效生产；另一方面，嗜盐微生物的培养需要含有高浓度盐的基质培养基，这意味着可以使用海水代替淡水资源，从而避免了水资源的问题。此外，不需要灭菌，这意味着生物反应器不需要不锈钢材料来承受高温和高压蒸汽，但只能使用塑料或陶瓷材料，从而降低了设备成本。目前，世界上第一台5吨塑料生物反应器已经组装并投入运行，但市场仍面临许多挑战。

陈国强教授说，尽管这一工业技术日益成熟，成本逐年下降，但从全球来看，阻止“白色污染”的努力远远不够，政策引导和推广仍是一个普遍问题。(赵汉斌)

编辑:计然