背靠大海合成生物塑料 阻斷「白色汙染」不是夢
本報記者 趙漢斌
在過去的50年裡，全球留下了70億噸塑料垃圾，被稱為「白色汙染」。塑料垃圾對海洋的汙染最為明顯。據《科學》雜誌報導，每年有800萬噸的塑料被衝入大海。更可怕的是它們所產生的大量塑料微粒，通過海產品、海鹽等途徑進入人體，造成巨大的健康危害。破解「白色汙染」之害，一直是全球科學家努力的重要方向。
近日國外媒體報導稱，以色列特拉維夫大學用最新的工藝技術，研究製造出一種生物塑料聚合物，這個過程不需要土地和淡水，而是源自以海藻為食的微生物，具有生物可降解性，能夠產生零毒性垃圾，並可回收成為有機廢物。這有什麼樣的生物技術背景？國內發展前景如何？帶著一系列問題，科技日報記者採訪了相關科學家。
石化塑料一旦合成難以降解
普通塑料聚酯，是以不可再生的石油為原料，由多元醇和多元酸縮聚而成。由於其方便、耐用、防水等特性以及低廉的價格，應用非常廣泛。
2018國際生物聚酯大會（ISBP）主席、清華大學合成與系統生物學中心主任陳國強教授向科技日報記者介紹，目前全球每年僅一次性塑料製品就達1.2億噸，其中僅有10%被回收利用，另外約12%被焚燒，超過70%被丟棄到土壤、空氣和海洋中。
在我國，土壤中僅每年殘留的農膜就高達35萬噸，殘膜率42%。大量農膜殘留在農田0—30釐米的耕作層中，給農業生產和食品安全帶來了巨大的威脅。塑料垃圾所造成的「白色汙染」之所以如此惡劣，最重要的原因在於塑料的化學性質。塑料是由單體所聚合形成的聚乙烯、聚苯乙烯等高分子聚合物，不同於其他垃圾，環境中的分解者微生物不能消化降解塑料中連接單體的化學鍵，因此無法將其重新分解為單體形式。換句話說，塑料一旦合成，就再無「回頭路」。
能否製造這樣一種物質，既具有像傳統塑料一樣優異的聚合物性質，又可以很容易被微生物降解為單體？國際生物聚酯學界為此努力了數十年。
從海藻培植中找到新碳源
解決塑料垃圾泛濫的唯一方法是生物塑料替代，它不使用石油，降解速度快。但一般來說，生物塑料也有環境代價，培育生物基質需要肥沃的土壤和淡水，然而許多國家並不具備這樣的資源。
在以色列特拉維夫大學環境和地球科學分院，亞歷山大·古爾伯格博士和化學學院麥可·古辛教授合作的這項新成果，使用一種地中海野生型微生物，在模擬海藻水解產物培養基中生成一種名為聚羥基脂肪酸酯（PHA）的聚合物，這種聚合物製成的生物塑料，其產生的垃圾廢物不僅零毒性，還可變成營養物質被微生物分解利用，並回饋到自然環境中。但利用微生物和藻類生產可生物降解塑料，目前仍面臨著諸多挑戰，包括對葡萄糖純碳源的依賴、有機替代品對生產不同類型PHA的技術要求、在下遊加工過程中產生的汙染以及可能大量使用溶劑等。
「用海水來培植藻類，這個想法是不錯的，海洋面積大，海帶等大型藻類長得也比糧食快。」陳國強教授介紹，這項成果的創新之處在於找到一種新的生物聚酯碳源。
在我國，使用玉米、馬鈴薯、木薯等作為基質合成的生物聚酯性能已接近傳統塑料製品，並獲得歐洲一些廠商的認可。「我們研製的生物塑料產品甚至可供動物食用。」陳國強說，依靠傳統生物學的知識儲備，藉助基因合成、測序、系統生物學、生物信息學等技術的進展，最新研究讓PHA結構不斷發展變化，可滿足於各種應用，除用於包裝材料、農膜、纖維、生物燃料等外，PHA在藥品、化妝品、動物飼料等方面的市場前景也非常廣闊。
以藻類為原料還是一個新概念
基於包括中國科學家在內的已有前沿成果，古爾伯格和他的合作者在國際著名期刊《生物資源技術》雜誌上表示，由於廉價而具有可用性的基質缺乏，阻礙了PHA的大規模生產。他們利用大型藻類，主要基於這種底物可獲取用於生產PHA的碳基質。海洋中，包括海帶及紅藻、褐藻等在內的絕大多數藻類都有這個能力，但因海藻的大量繁殖，又會引發水體的富營養化，其治理是個大問題。於是他們將目光聚焦到一種綠色巨藻身上，它不僅有水環境修復的機能，還可用於生產PHA，有望為生物聚酯的生產提供可持續的解決方案。
他們最初篩選了7種海藻物種，這些藻類合成PHA生產潛力各不相同，從測試組合中，綠色巨藻組合物獲得了PHA的最大產出率。他們還研究了不同濃度的水解產物對PHA的影響，測定了新合成的PHA的結構特徵，結果發現與先前使用的其他碳源作為底物的報導相同。研究結果證明，近海生長的海藻可成為長期生產生物聚合物的可持續和環保的替代品，而且實驗展示的過程中，PHA的生產不使用淡水，這表明可持續工藝規模擴大的可能性，這為生物加工和生物精煉技術發展邁出了一步。
但陳國強教授認為，這還是一個新概念，實現量產應該是二、三十年後的事，尤其在成本控制上要做到像聚乙烯那樣低廉還很困難。此外，在海洋上採收藻類的成本也相對較高。
我國「藍水生物技術」工藝完成中試
陳國強教授介紹，生物工業相比傳統化學工業有顯而易見的優勢。大多數生物反應所需條件都相對溫和，不需要高溫高壓等嚴苛條件，所用的原料以及代謝廢物對於環境沒有危害，因而生物聚酯研究在國際上迅猛發展。我國在生物降解塑料，特別是生物聚酯如聚乳酸（PLA）、聚羥基脂肪酸酯、聚對苯二甲酸已二酸丁二酯（PBAT）和二氧化碳共聚物（PPC）等基礎研究和產業化都進展很快，已領先國際同行水平。
據悉，由清華大學生命科學學院首創的「下一代工業生物技術」已於2017年12月完成了PHA工業化生產的中試試驗，實現了無滅菌開放連續發酵低成本PHA量產能力。為了實現這一技術的快速產業化，在清華大學的支持下，北京藍晶微生物科技有限公司研發團隊開發出基於嗜鹽微生物的低成本生產技術——「藍水生物技術」，革命性地簡化了PHA的合成工藝，中試生產基地也已建成投產。預計未來5年內，我國PHA成本將不斷降低，市場佔有率或將大幅提升。
我國的「藍水生物技術」，一方面可實現無滅菌開放式連續發酵，減少滅菌過程的能耗及其所帶來的複雜操作和人力成本，實現高效率生產；另一方面，培養嗜鹽微生物需要含高濃度鹽的底物培養基，這意味著可以使用海水來替代淡水資源，從而避免水資源問題。此外，無需滅菌還意味著生物反應器無需使用不鏽鋼材料來耐受高溫高壓蒸汽，使用塑料或陶瓷等材料即可，從而降低設備成本。目前，全球首創的5噸級塑料生物反應器已組裝運行，但面對市場，還有很多挑戰。
陳國強教授說，雖然目前此項工業技術已日趨成熟，成本也在逐年下降，但從全球範圍看，阻斷「白色汙染」的力度還遠遠不夠，政策導向與推廣仍是一個普遍性問題。