海水也可變“燃料”

文 李惠鈺

近日，英國曼徹斯特大學(xué)發(fā)布了一則消息稱，該校生物技術(shù)研究所的研究人員正在與美國一家研究機(jī)構(gòu)合作，探討利用合成生物學(xué)技術(shù)制造新一代生物燃料，所使用的原料部分來自海水。

研究人員發(fā)現(xiàn)，海水中的鹽單胞菌能夠提供有效的“微生物底盤”，用于合成高價(jià)值化合物。未來，這種新一代生物燃料的制作方法，可以通過類似釀酒行業(yè)的生產(chǎn)方式實(shí)現(xiàn)更為經(jīng)濟(jì)的生物燃料規(guī)模生產(chǎn)。

對(duì)于生物燃料行業(yè)來說，此項(xiàng)研究可謂是突破性的。不過，記者采訪發(fā)現(xiàn)，早在2006年，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授陳國強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室就開始了海水發(fā)酵的研究工作，并于2018年在《生物技術(shù)近期述評(píng)》（Current Opinion in Biotechnology）期刊首次提出以海水為介質(zhì)的下一代工業(yè)生物技術(shù)，曼徹斯特大學(xué)此次的研究就是該技術(shù)的進(jìn)一步延伸。

“這項(xiàng)技術(shù)最大限度地降低了生物燃料的成本，前景很好?！标悋鴱?qiáng)告訴記者，對(duì)于下一代工業(yè)生物技術(shù)的應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)克服了許多困難，目前可以利用海水作為發(fā)酵用水生產(chǎn)生物降解塑料，并實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模（35噸規(guī)模）的工業(yè)應(yīng)用，現(xiàn)在正在進(jìn)行更大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的嘗試。

生物制造技術(shù)升級(jí)換代

由于大量嗜鹽微生物的存在，水面變成了粉紅色。

化學(xué)工業(yè)雖然為現(xiàn)代社會(huì)做出了極大的貢獻(xiàn)，但也帶來了環(huán)境污染、溫室氣體排放等諸多問題。隨著分子生物學(xué)、生物化學(xué)和合成生物學(xué)的快速發(fā)展，利用生物活體、細(xì)胞器或酶等生物制品，以生化反應(yīng)的形式對(duì)原料進(jìn)行加工的工業(yè)生物技術(shù)，被認(rèn)為是更有效的手段。

不過，相比傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)，工業(yè)生物技術(shù)雖然對(duì)環(huán)境破壞更小，但由于底物價(jià)格昂貴、消毒滅菌步驟煩瑣，并且需要消耗大量能源和水資源等原因，在市場競爭中并不占優(yōu)勢(shì)。開發(fā)一系列可以高效、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)各類產(chǎn)品的菌種，就成為當(dāng)下的重要任務(wù)。

為此，科學(xué)家把焦點(diǎn)放在了生活在極端條件下并且具有特殊性質(zhì)的微生物身上，比如嗜鹽、嗜堿、嗜酸、嗜熱微生物等。其中，以鹽單胞菌屬為例的嗜鹽微生物，由于可在高鹽高堿條件下進(jìn)行開放的、連續(xù)的發(fā)酵，成為工業(yè)生物技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

陳國強(qiáng)表示，下一代工業(yè)生物技術(shù)就是以極端（嗜鹽微生物）微生物合成生物學(xué)為基礎(chǔ)的工業(yè)生物制造技術(shù)，主要針對(duì)現(xiàn)階段生物制造固有的耗能、耗水、過程操作復(fù)雜、產(chǎn)物最終濃度低、產(chǎn)物純化復(fù)雜、過程不能連續(xù)、設(shè)備投資昂貴及與人爭糧等缺點(diǎn)，在不燃不爆、無污染、少耗水的情況下部分代替化學(xué)工業(yè)，提供大量材料、燃料、藥品、炸藥和其他衣食住行必需品，滿足人類需求。

在他看來，我國擁有世界規(guī)模最大的工業(yè)生物制造產(chǎn)業(yè)（產(chǎn)值近萬億元），迫切需要產(chǎn)業(yè)升級(jí)。下一代工業(yè)生物技術(shù)可以克服現(xiàn)有生物制造的缺點(diǎn)，促進(jìn)我國生物制造的全面升級(jí)換代，解決面臨的生態(tài)、資源和可持續(xù)發(fā)展危機(jī)。

海水帶來的無限可能

合成的PHA可以制成可生物降解的農(nóng)用地膜、購物袋包裝材料等。

嗜鹽微生物是一類生長過程中需要高濃度氯化鈉的微生物的總稱，通常棲息在高鹽環(huán)境或海洋中，鹽單胞菌就是其中一種。曼徹斯特大學(xué)此次研究聚焦利用合成生物學(xué)將海水中生長的鹽單胞菌制成生物燃料。

研究人員稱，這一技術(shù)突破的關(guān)鍵在于通過基因重組技術(shù)改變微生物的新陳代謝，以創(chuàng)造出用于替代原油的高質(zhì)量生物燃料，這種制造方法比目前使用的化學(xué)合成方法更為高效和可持續(xù)。

當(dāng)前，化學(xué)合成的方式仍存在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等方面的問題。曼徹斯特大學(xué)生物技術(shù)研究所所長奈杰爾·斯庫頓表示，有效的生物燃料戰(zhàn)略應(yīng)避免使用淡水，并能夠大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)源自微生物宿主的燃料。改造細(xì)菌以復(fù)制化學(xué)合成同樣的工藝，不僅可以大幅提高生物燃料制造的可持續(xù)性，限制有毒副產(chǎn)品的產(chǎn)生，還不依賴于原油等非可持續(xù)資源。

陳國強(qiáng)同樣非?？春美煤Ｋ圃焐锶剂系那熬埃?yàn)槭塞}微生物本身就處于高鹽、高堿的生長環(huán)境，這讓它不易被染菌，所以不需要在無菌條件下進(jìn)行。發(fā)酵過程中無須高溫高壓滅菌，并能夠進(jìn)行長時(shí)間的連續(xù)發(fā)酵，這就使得過程的操作簡單了許多，并在很大程度上節(jié)能和降低成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

“發(fā)酵過程無須高溫高壓滅菌，就不需要使用昂貴的不銹鋼發(fā)酵罐和不銹鋼管道系統(tǒng)，轉(zhuǎn)而使用便宜的塑料、陶瓷甚至水泥罐體或管道等，過程設(shè)備投資也大幅度減少?！标悋鴱?qiáng)補(bǔ)充道，“由于可以用海水替代淡水，此過程中產(chǎn)生的水可以多次循環(huán)利用，節(jié)水也成為一大優(yōu)勢(shì)?！?/p>

此外，利用海水制造生物燃料不與人爭糧。曼徹斯特大學(xué)生物技術(shù)研究所商業(yè)化總監(jiān)柯克·馬隆稱，目前，生物燃料制作依賴玉米、甜菜等作物，占用農(nóng)地，借助海水制作生物燃料可減少燃料與糧食生產(chǎn)搶資源的矛盾，最終制造出來的生物燃料與現(xiàn)在使用的燃料品質(zhì)基本一樣，交通工具無須改裝引擎就可使用，并且仍能保持高性能。

陳國強(qiáng)也指出，合成生物學(xué)改造的嗜鹽細(xì)菌可以利用淀粉、蛋白、脂肪甚至纖維素和脂肪酸等生長，這些都是食物的組成，甚至用餐廚廢料也能使嗜鹽細(xì)菌生長，制造所需的產(chǎn)品。除了不與人爭糧，通過分子操作，還可使嗜鹽細(xì)菌在高密度情況下繼續(xù)生長，大幅提高產(chǎn)品最終濃度；通過表達(dá)細(xì)菌分離遏制基因，使細(xì)菌形態(tài)發(fā)生變化，能產(chǎn)生自凝絮作用，使菌體與發(fā)酵液自然分離，產(chǎn)物純化變得更為簡單。

仍存技術(shù)挑戰(zhàn)

圍繞嗜鹽微生物，陳國強(qiáng)團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了一場合成生物學(xué)的改造，將這個(gè)神奇的微生物變成高效的生物制造平臺(tái)，使其能夠在無滅菌和連續(xù)工藝過程中，以海水為介質(zhì)高效生產(chǎn)各種生物塑料PHA（聚羥基脂肪酸酯），成本比之前的技術(shù)降低三分之一。

據(jù)記者了解，用于PHA的下一代工業(yè)生物技術(shù)中試已經(jīng)完成，用中試生產(chǎn)線合成的PHA可以制成可生物降解的農(nóng)用地膜、超市購物袋、快遞和外賣的包裝材料等，甚至還可以把PHA制成紗線，進(jìn)而紡成布料用以代替絲綢。

對(duì)于基于海水中的嗜鹽微生物制造生物燃料，前景雖然也十分誘人，但如果要展開實(shí)際應(yīng)用，在可行性上仍然存在技術(shù)障礙。陳國強(qiáng)告訴記者，對(duì)嗜鹽微生物進(jìn)行合成生物學(xué)改造難度較大，目前最需要解決的技術(shù)難題就是在嗜鹽微生物中構(gòu)建高效燃料合成路徑。

陳國強(qiáng)表示，由于嗜鹽細(xì)菌的魯棒性，發(fā)酵工藝也能保持一致，使工藝開發(fā)簡單化，未來技術(shù)研發(fā)的方向?qū)⒕劢乖诶靡粋€(gè)菌種進(jìn)行多個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)。他表示，未來，下一代工業(yè)生物技術(shù)將使國家在困難（如戰(zhàn)爭）的情況下，仍然能夠大量生產(chǎn)各種材料、燃料、藥品、炸藥和其他衣食住行等必需品，滿足社會(huì)需求。