利用“下一代工業(yè)生物技術(shù)”： 海水也可變“燃料”

下一代工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)觀光園

近日，英國曼徹斯特大學發(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構(gòu)合作，探討利用合成生物學技術(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)方式實現(xiàn)更為經(jīng)濟的生物燃料規(guī)模生產(chǎn)。

對于生物燃料行業(yè)來說，此項研究可謂是突破性的。不過，《中國科學報》采訪發(fā)現(xiàn)，早在2006年，清華大學生命科學學院教授陳國強實驗室就開始了海水發(fā)酵的研究工作，并于2018年在《生物技術(shù)近期述評》(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)，曼徹斯特大學此次的研究就是該技術(shù)的進一步延伸。

“這項技術(shù)最大程度地降低了生物燃料的成本，前景很好。”陳國強告訴記者，對于下一代工業(yè)生物技術(shù)的應用，該團隊已經(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，并實現(xiàn)了小規(guī)模(35噸規(guī)模)的工業(yè)應用，現(xiàn)在正在進行更大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的嘗試。

生物制造技術(shù)升級換代

化學工業(yè)雖然為現(xiàn)代社會作出了極大的貢獻，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、生物化學和合成生物學的快速發(fā)展，利用生物活體、細胞器或酶等生物制品，以生化反應的形式對原料進行加工的工業(yè)生物技術(shù)，被認為是更有效的手段。

不過，相比傳統(tǒng)的化學工業(yè)，工業(yè)生物技術(shù)雖然對環(huán)境破壞更小，但由于底物價格昂貴、消毒滅菌步驟繁瑣，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。開發(fā)一系列可以高效、經(jīng)濟地生產(chǎn)各類產(chǎn)品的菌種，就成為當下的重要任務。

為此，科學家把焦點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。

陳國強表示，下一代工業(yè)生物技術(shù)就是以極端(嗜鹽微生物)微生物合成生物學為基礎的工業(yè)生物制造技術(shù)，主要針對現(xiàn)階段生物制造固有的耗能、耗水、過程操作復雜、產(chǎn)物最終濃度低、產(chǎn)物純化復雜、過程不能連續(xù)、設備投資昂貴及與人爭糧等缺點，在不燃不爆、無污染、少耗水的情況下部分代替化學工業(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。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，促進我國生物制造的全面升級換代，解決面臨的生態(tài)、資源和可持續(xù)發(fā)展危機。

海水帶來的無限可能

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。曼徹斯特大學此次研究聚焦利用合成生物學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合成方法更為高效和可持續(xù)。

當前，化學合成的方式仍存在環(huán)境和經(jīng)濟性等方面的問題。曼徹斯特大學生物技術(shù)研究所所長奈杰爾·斯庫頓表示，有效的生物燃料戰(zhàn)略應避免使用淡水，并能夠大規(guī)模、經(jīng)濟地生產(chǎn)源自微生物宿主的燃料。改造細菌以復制化學合成同樣的工藝，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。

陳國強同樣非?？春美煤Ｋ圃焐锶剂系那熬埃驗槭塞}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行。發(fā)酵過程中無需高溫高壓滅菌，并能夠進行長時間的連續(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)酵過程無需高溫高壓滅菌，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，過程設備投資也大幅度減少。”陳國強補充道，由于可以用海水替代淡水，過程產(chǎn)生的水可以多次循環(huán)利用，節(jié)水也成為一大優(yōu)勢。

此外，利用海水制造生物燃料不與人爭糧。曼徹斯特大學生物技術(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。

陳國強也指出，合成生物學改造的嗜鹽細菌可以利用淀粉、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，還可使嗜鹽細菌在高密度情況下仍能繼續(xù)生長，大幅提高產(chǎn)品最終濃度;通過表達細菌分離遏制基因，使細菌形態(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，陳國強團隊也進行了一場合成生物學的改造，將這個神奇的微生物變成高效的生物制造平臺，使其能夠在無滅菌和連續(xù)工藝過程中，利用海水為介質(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，進而紡成布料用以代替絲綢。

對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，但如果要展開實際應用，在可行性上仍然存在技術(shù)障礙。陳國強告訴記者，對嗜鹽微生物進行合成生物學改造難度較大，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。

陳國強表示，由于嗜鹽細菌的魯棒性，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€菌種進行多個產(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，滿足社會需求。