吃廢水?吃塑料?吃金屬廢物能「吃一切」的超級(jí)工程菌是如何帶來「綠色工廠」

自2015年聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展峰會(huì)召開以來，全球的環(huán)境問題、如何實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等成為了繞不過去的話題。

少數(shù)的富豪忙著“上天”，而大多數(shù)地面上的問題還要解決。除了研究人員正在不斷推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步之外，解決問題也可能需要依靠微生物的幫助。

自19世紀(jì)初期，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，部分微生物能夠利用自身的新陳代謝來消耗某些特殊的化學(xué)物質(zhì)。但它們通常效率低下，因此代謝工程被用來提高微生物的性能。從20世紀(jì)90年代開始，利用代謝工程對(duì)微生物細(xì)胞進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)特殊用途成為了生物界的熱門課題。

近年來，通過與合成生物學(xué)相結(jié)合，代謝工程變得更加強(qiáng)大?；诤铣缮飳W(xué)設(shè)計(jì)和構(gòu)建新型生物功能和系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，與代謝工程相結(jié)合從而開發(fā)具有各類功能的工程化微生物成為了解決地球困境的有效幫手。

在應(yīng)用端，科學(xué)家們已經(jīng)不滿足于簡單的生物分子合成，合成生物學(xué)技術(shù)逐漸進(jìn)入到能源、環(huán)境、重工業(yè)等領(lǐng)域。各類經(jīng)過基因編輯、改造代謝的微生物們正在試圖解決原材料采集和加工、廢物處理以及衍生的環(huán)境污染等問題。

減輕海洋石油污染

加利福尼亞州南部奧蘭治縣海岸風(fēng)平浪靜，一股黑色液體緩緩從海底浮至海面，這是該地區(qū)“10年來最嚴(yán)重”的原油泄漏事故，起因是輸油管道出現(xiàn)了一條裂縫。這也造成了約35平方公里的海面和部分海灘被污染，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

在過去的幾十年里，發(fā)生了許多重大的石油泄漏事件，每次都會(huì)造成無法估量的環(huán)境和生態(tài)破壞。目前處理石油泄漏的方法有打撈、物理屏障和化學(xué)分散劑等，但仍無法阻止石油中的化學(xué)成分飄向海洋深處，而基于微生物的生物修復(fù)方法因其生態(tài)相容性和較低的成本而越來越受到關(guān)注。

早在20世紀(jì)90年代，許多能夠分解石油分子的微生物就已經(jīng)被鑒定出來，包括細(xì)菌、真菌和微藻等。

涉及不同微生物分類群的生物修復(fù)策略的一般方案

在海洋的不同深度環(huán)境中，溫度、光照、壓強(qiáng)等物理因素不同，因此游離或沉積的石油分子類型不同，需要設(shè)計(jì)不同的生物降解方案。

以不同氧化還原條件為特征的海洋沉積物中碳?xì)浠衔锝到馑婕暗拇x過程的概念圖

常見的細(xì)菌一般是伽馬變形菌綱，包括海洋螺旋體目和互變單胞菌目的成員，這些細(xì)菌的嗜鹽特征也讓它們表現(xiàn)出了比陸地細(xì)菌更強(qiáng)的降解碳?xì)浠衔锏哪芰Α?/p>

除了直接利用碳?xì)浠衔镏猓硪粋€(gè)策略是利用微生物生產(chǎn)表面活性劑化合物，來提高污染環(huán)境的生物修復(fù)效率。

從不同海洋生態(tài)系統(tǒng)中分離出的石油降解細(xì)菌及其碳?xì)浠衔锾禺愋缘母攀?/p>

限制碳?xì)浠衔锷锝到獾囊蛩刂皇撬鼈兊氖杷裕瑢?dǎo)致其生物利用度差，而表面活性劑具有兩親性，即親水和親油特性，可以將海底污泥中的石油分子有效分離，可以幫助提高微生物對(duì)碳?xì)浠衔锏纳锢枚取?/p>

隨著生物材料技術(shù)的發(fā)展，誕生了加速海洋生物修復(fù)的新方法，使用新材料作為微生物的載體，把微生物包裹在由海藻酸鈣和殼聚糖等組成的“膠囊”中，可漂浮在受油污染的海水上。這種“膠囊”有納米級(jí)的多孔結(jié)構(gòu)，允許特定的分子內(nèi)外交換，既保證了微生物可以在高度污染海水中的長期存活問題，又能夠長時(shí)間地進(jìn)行碳?xì)浠衔锏慕到膺^程，在沿海海水中進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)中觀實(shí)驗(yàn)表明，大部分石油烴（>98%）在24小時(shí)內(nèi)從海水表面去除。

此外，真菌和微藻也是海洋生物修復(fù)重點(diǎn)研究生物。設(shè)計(jì)細(xì)菌、真菌和微藻的生物組合，可能是未來用于修復(fù)海洋環(huán)境的新策略。然而，不同的微生物分類群具有不同的代謝要求，并且在石油烴的生物降解中表現(xiàn)出不同的效率，這也可能因烴的化學(xué)結(jié)構(gòu)和生物利用度以及環(huán)境條件而有很大差異。

未來的研究應(yīng)致力于了解微生物類群之間潛在的協(xié)同相互作用，并評(píng)估它們?cè)谠缓彤愇簧镄迯?fù)應(yīng)用后去除碳?xì)浠衔锏臐摿Α?/p>

同時(shí)還應(yīng)考慮環(huán)境基質(zhì)中存在的其他類型污染物，例如重金屬等。事實(shí)上，生物降解策略可能會(huì)導(dǎo)致重金屬的流動(dòng)性和生物利用度發(fā)生重大變化，反而可能會(huì)增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)分析以評(píng)估生物處理的背景影響，特別是對(duì)于以混合化學(xué)污染（有機(jī)+無機(jī)污染物）為特征的海洋沉積物。

從塑料到塑料的循環(huán)

塑料污染已成為一個(gè)全球性的威脅，PlasticsEurope網(wǎng)站2020年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球塑料生產(chǎn)規(guī)模在過去六年中增長了21%，2019年達(dá)到3.68億噸。當(dāng)前對(duì)塑料廢棄物的處理方式主要有3種：填埋、焚燒或回收處理。

得益于自然演化，一些微生物進(jìn)化出了降解塑料的酶，這些微生物或者酶成為了生物法降解塑料的關(guān)鍵。生物降解指通過微生物作用將底物分解轉(zhuǎn)化，由需氧微生物完全轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水、礦物質(zhì)和生物質(zhì)，或者在厭氧性生物作用下轉(zhuǎn)化為二氧化碳、甲烷和腐殖質(zhì)等。

合成生物學(xué)助力廢棄塑料資源生物解聚與升級(jí)再造，合成生物學(xué)

這類微生物一般會(huì)出現(xiàn)在塑料垃圾聚集的地方，2016年，日本科學(xué)家吉田茂人從大阪一個(gè)瓶子回收工廠的污泥中，發(fā)現(xiàn)了具有分解PET塑料能力的細(xì)菌I. sakaiensis 201-F6，能在30攝氏度的反應(yīng)條件下，用6周時(shí)間完全降解低結(jié)晶度PET薄膜，是目前已知對(duì)PET降解效果最好的一株細(xì)菌。

此后科學(xué)家們陸續(xù)從垃圾處理場(chǎng)、廢舊油田等地方發(fā)現(xiàn)了具有降解不同種類塑料的微生物或酶。目前針對(duì)市場(chǎng)上的大量常用的塑料種類（PET、PE、PVC、PP、PS和PUR），科學(xué)家都找出了可將其一一降解的微生物 。

水解型塑料解聚酶挖掘

但天然微生物或酶的效率極低，塑料解聚酶元庫存在催化效率低、穩(wěn)定性差、表達(dá)量低等問題，限制了塑料解聚酶的規(guī)?；a(chǎn)與應(yīng)用。在微生物降解一個(gè)PET塑料瓶的時(shí)間內(nèi)，世界上可能也同時(shí)多出了10萬個(gè)廢瓶。

在合成生物學(xué)技術(shù)的加持下，利用理性設(shè)計(jì)、定向改造等蛋白質(zhì)工程技術(shù)方法，為提高塑料解聚酶的活性、穩(wěn)定性和特異性提供了新的解決方案。

目前來看，法國Carbios走在了PET塑料回收產(chǎn)業(yè)的最前端，雖然成立近十年，無一年盈利，全靠政府救濟(jì)，但在今年，其首個(gè)PET塑料回收工業(yè)示范工廠，也是世界首家示范工廠在法國克萊蒙費(fèi)朗落地。示范工廠包括一個(gè)20立方米的解聚反應(yīng)器，每個(gè)循環(huán)能夠處理2噸PET，相當(dāng)于10萬個(gè)塑料瓶。

首個(gè)由廢塑料制造的PET瓶

早在今年6月，Carbios、歐萊雅、雀巢、百事可樂和三得利共同宣布，Carbios成功生產(chǎn)出世界上第一個(gè)以廢棄塑料為原料的食品級(jí)PET塑料瓶，Carbios為這些合作伙伴分別生產(chǎn)了樣瓶。Carbios也曾放出豪言，未來或許不需要生產(chǎn)新的PET塑料，現(xiàn)有的塑料已足夠支持循環(huán)使用。

Carbios研發(fā)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)2年時(shí)間從10萬種微生物中，篩選出了一種具有改造潛力的微生物。這種微生物是從秋天堆肥的葉子中發(fā)現(xiàn)的，其產(chǎn)生的水解酶可以分解葉子的葉膜，研究人員對(duì)其進(jìn)行改造，最終獲得了一種高效的PET水解酶，并申請(qǐng)了專利。該酶可在16小時(shí)內(nèi)分解97%的任何種類的PET塑料，比迄今為止任何生物塑料回收試驗(yàn)的效率都高出1萬倍。

與Carbios類似，國內(nèi)天津恩博華科技有限公司也有PET回收的專利技術(shù)，其核心的解聚酶是PET降解研究中最常用的角質(zhì)酶，可將塑料制品降解為低聚物或單體，然后再將其回收利用。

昔日礦山廢料將成“寶藏”

生物冶金是一種使用微生物從低品相礦石或礦山廢料中提取金屬的過程，也被稱作微生物采礦。根據(jù)主要作用原理的不同，這一過程又包含生物浸出、生物氧化等。

簡單來說，生物浸出是指微生物將目標(biāo)金屬轉(zhuǎn)化為可溶形式，其本質(zhì)是礦石的分步氧化分解。比如銅等金屬通常存在于硫化礦物中，而部分微生物則特別擅長氧化硫化礦物，并釋放出銅離子。由于反應(yīng)介質(zhì)的酸性，銅離子可以保留在溶液中，然后通過電化學(xué)反應(yīng)富集到電極上。

中南大學(xué)建立的硫化礦分步氧化模型

與之相對(duì)的，若是雜質(zhì)被溶解，而目標(biāo)金屬富集在固體中時(shí)，則稱之為生物氧化。其與生物浸出僅存在概念上的區(qū)別。除此之外，基于還原條件下用于紅土礦物挖掘的微生物也已進(jìn)入應(yīng)用場(chǎng)景。

基于微生物的冶金方法能夠有效提高收益，同時(shí)限制了傳統(tǒng)工藝中有毒化學(xué)品的使用。此外，還能夠減少二氧化碳排放并降低整個(gè)過程的碳足跡和水足跡。與此同時(shí)，生物采礦技術(shù)也可用于清理被污染的礦山，以及從工業(yè)殘?jiān)蛷U物中回收金屬。

銅礦、金礦是該領(lǐng)域中最重要的工業(yè)應(yīng)用。全球范圍內(nèi)通過生物浸出法提取的銅已達(dá)10%~15%；而生物氧化的黃金產(chǎn)量則約為5%。除了銅、金之外，生物冶金已擴(kuò)展至鈷、鎳、鋅、鈾和稀土元素等。

早在20世紀(jì)50年代，基于氧化亞鐵硫桿菌的發(fā)現(xiàn)，生物冶金的概念被首次提出。自那以后的幾十年間，研究人員一直在進(jìn)行嘗試，但卻進(jìn)展緩慢。

部分原因是由于采礦公司不愿投入資金更新基礎(chǔ)設(shè)施，但更大的問題在于此前微生物提取金屬的時(shí)間成本過于漫長：傳統(tǒng)方法提取金屬需要數(shù)小時(shí)或數(shù)天，而微生物可能需要數(shù)周、數(shù)月甚至更長的時(shí)間。這對(duì)于將經(jīng)濟(jì)收益視為首要標(biāo)準(zhǔn)的采礦業(yè)來說顯然是致命硬傷。

因此，通過微生物篩選、基因改造等技術(shù)加速采礦速度、提高收率一直是該領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。

2002年，位于智利的全球第一銅礦企業(yè)Codelco成立合資公司BioSigma Sa，致力于研發(fā)并推進(jìn)更快速、更高收率的生物冶金技術(shù)。其專有的微生物技術(shù)在2005年完成中試規(guī)模的試驗(yàn)。

到了2010年左右，采礦業(yè)的心態(tài)發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，全球多家知名礦業(yè)公司陸續(xù)表現(xiàn)出對(duì)于生物冶金的興趣。究其原因，高含量礦石資源的耗竭與日益昂貴的能源價(jià)格是主要推手。

英國威爾士班戈大學(xué)的微生物學(xué)家巴里·約翰遜曾表示，此前銅含量低于5%的礦石不值得開采。但現(xiàn)在，那些過去遺留下的含有0.4%或0.5%銅的采礦廢漿都成為了寶藏。

Reales展示食金屬細(xì)菌罐內(nèi)溶解的釘子和螺絲

另一方面，能夠在常溫常壓下進(jìn)行的生物冶金也對(duì)一眾“耗能巨戶”充滿致命吸引力：例如鎳的傳統(tǒng)提煉工藝需800攝氏度，而微生物冶金過程僅需30攝氏度。

2014年，Codelco正式宣布，開始大規(guī)模地使用生物冶金技術(shù)獲取產(chǎn)品。該公司表示，將首次使用其專有細(xì)菌以便從黃銅礦中提取銅，在此之前，標(biāo)準(zhǔn)的生物浸出法對(duì)于黃銅礦無能為力。

日前，智利科學(xué)家納塔克·雷亞雷斯通過一種提取的嗜鐵端勾螺旋菌，從而提高濕法冶金中的金屬回收率。

Talvivaara礦泄漏后研究人員采集水樣

經(jīng)過兩年試驗(yàn)，雷亞雷斯發(fā)現(xiàn)“饑餓”狀態(tài)下嗜鐵端勾螺旋菌分解金屬的速度顯著提高，其分解一根鐵釘?shù)挠脮r(shí)從最初的兩個(gè)月縮短為3天。此外，生物化學(xué)試驗(yàn)顯示該菌對(duì)人類和生態(tài)環(huán)境無害，有望大批量用于提取銅類等金屬。

在我國，生物冶金也是長期化的發(fā)展項(xiàng)目。20世紀(jì)50年代同期，中南礦冶學(xué)院（現(xiàn)中南大學(xué)）何復(fù)熙教授成立了生物冶金實(shí)驗(yàn)室。到了1997年和2001年，中南大學(xué)在江西德興銅礦和福建紫金山銅礦分別建成兩座千噸級(jí)以上的生物提銅堆浸廠。

近年來，隨著生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，基因和基因組、宏基因組等技術(shù)越來越多被應(yīng)用于生物冶金領(lǐng)域。尤其是基因組技術(shù)的應(yīng)用，加速了對(duì)于該領(lǐng)域微生物的研究水平，采礦效率和使用范圍得到進(jìn)一步拓展。

不僅是中南大學(xué)，山東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的微生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，也在長期從事極端嗜酸性自養(yǎng)微生物分子研究并獲得多項(xiàng)專利。

需要注意的是，雖然生物冶金技術(shù)有效限制了有毒制劑，但也并不能完全避免采礦業(yè)可能造成的巨大環(huán)境污染。其副產(chǎn)物硫酸、目標(biāo)金屬中間液等依然是致命的潛在污染源，需要受到嚴(yán)格監(jiān)管。

2012年，歐洲最大的生物開采礦山Talvivaara Sotkamo發(fā)生廢液泄漏，該礦山經(jīng)營公司Ahtium Plc已于2018年申請(qǐng)破產(chǎn)。

生物采礦是一個(gè)小眾市場(chǎng)，但隨著資源緊縮、環(huán)境壓力和法規(guī)的增加，越來越多的礦業(yè)公司正在積極地加入這一領(lǐng)域。