在過(guò)去的50年里，全球留下了70億噸塑料垃圾，被稱為“白色污染”。塑料垃圾對(duì)海洋的污染最為明顯。據(jù)《科學(xué)》雜志報(bào)道，每年有800萬(wàn)噸的塑料被沖入大海。更可怕的是它們所產(chǎn)生的大量塑料微粒，通過(guò)海產(chǎn)品、海鹽等途徑進(jìn)入人體，造成巨大的健康危害。破解“白色污染”之害，一直是全球科學(xué)家努力的重要方向。

近日國(guó)外媒體報(bào)道稱，以色列特拉維夫大學(xué)用最新的工藝技術(shù)，研究制造出一種生物塑料聚合物，這個(gè)過(guò)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(chǎn)生零毒性垃圾，并可回收成為有機(jī)廢物。這有什么樣的生物技術(shù)背景?國(guó)內(nèi)發(fā)展前景如何?帶著一系列問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了相關(guān)科學(xué)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。由于其方便、耐用、防水等特性以及低廉的價(jià)格，應(yīng)用非常廣泛。

2018國(guó)際生物聚酯大會(huì)(ISBP)主席、清華大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國(guó)強(qiáng)教授向科技日?qǐng)?bào)記者介紹，目前全球每年僅一次性塑料制品就達(dá)1.2億噸，其中僅有10%被回收利用，另外約12%被焚燒，超過(guò)70%被丟棄到土壤、空氣和海洋中。

在我國(guó)，土壤中僅每年殘留的農(nóng)膜就高達(dá)35萬(wàn)噸，殘膜率42%。大量農(nóng)膜殘留在農(nóng)田0—30厘米的耕作層中，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食品安全帶來(lái)了巨大的威脅。塑料垃圾所造成的“白色污染”之所以如此惡劣，最重要的原因在于塑料的化學(xué)性質(zhì)。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，不同于其他垃圾，環(huán)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(xué)鍵，因此無(wú)法將其重新分解為單體形式。換句話說(shuō)，塑料一旦合成，就再無(wú)“回頭路”。

能否制造這樣一種物質(zhì)，既具有像傳統(tǒng)塑料一樣優(yōu)異的聚合物性質(zhì)，又可以很容易被微生物降解為單體?國(guó)際生物聚酯學(xué)界為此努力了數(shù)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(lái)說(shuō)，生物塑料也有環(huán)境代價(jià)，培育生物基質(zhì)需要肥沃的土壤和淡水，然而許多國(guó)家并不具備這樣的資源。

在以色列特拉維夫大學(xué)環(huán)境和地球科學(xué)分院，亞歷山大·古爾伯格博士和化學(xué)學(xué)院邁克爾·古辛教授合作的這項(xiàng)新成果，使用一種地中海野生型微生物，在模擬海藻水解產(chǎn)物培養(yǎng)基中生成一種名為聚羥基脂肪酸酯(PHA)的聚合物，這種聚合物制成的生物塑料，其產(chǎn)生的垃圾廢物不僅零毒性，還可變成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被微生物分解利用，并回饋到自然環(huán)境中。但利用微生物和藻類生產(chǎn)可生物降解塑料，目前仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括對(duì)葡萄糖純碳源的依賴、有機(jī)替代品對(duì)生產(chǎn)不同類型PHA的技術(shù)要求、在下游加工過(guò)程中產(chǎn)生的污染以及可能大量使用溶劑等。

“用海水來(lái)培植藻類，這個(gè)想法是不錯(cuò)的，海洋面積大，海帶等大型藻類長(zhǎng)得也比糧食快。”陳國(guó)強(qiáng)教授介紹，這項(xiàng)成果的創(chuàng)新之處在于找到一種新的生物聚酯碳源。

在我國(guó)，使用玉米、馬鈴薯、木薯等作為基質(zhì)合成的生物聚酯性能已接近傳統(tǒng)塑料制品，并獲得歐洲一些廠商的認(rèn)可。“我們研制的生物塑料產(chǎn)品甚至可供動(dòng)物食用。”陳國(guó)強(qiáng)說(shuō)，依靠傳統(tǒng)生物學(xué)的知識(shí)儲(chǔ)備，借助基因合成、測(cè)序、系統(tǒng)生物學(xué)、生物信息學(xué)等技術(shù)的進(jìn)展，最新研究讓PHA結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展變化，可滿足于各種應(yīng)用，除用于包裝材料、農(nóng)膜、纖維、生物燃料等外，PHA在藥品、化妝品、動(dòng)物飼料等方面的市場(chǎng)前景也非常廣闊。

以藻類為原料還是一個(gè)新概念

基于包括中國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的已有前沿成果，古爾伯格和他的合作者在國(guó)際著名期刊《生物資源技術(shù)》雜志上表示，由于廉價(jià)而具有可用性的基質(zhì)缺乏，阻礙了PHA的大規(guī)模生產(chǎn)。他們利用大型藻類，主要基于這種底物可獲取用于生產(chǎn)PHA的碳基質(zhì)。海洋中，包括海帶及紅藻、褐藻等在內(nèi)的絕大多數(shù)藻類都有這個(gè)能力，但因海藻的大量繁殖，又會(huì)引發(fā)水體的富營(yíng)養(yǎng)化，其治理是個(gè)大問(wèn)題。于是他們將目光聚焦到一種綠色巨藻身上，它不僅有水環(huán)境修復(fù)的機(jī)能，還可用于生產(chǎn)PHA，有望為生物聚酯的生產(chǎn)提供可持續(xù)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(chǎn)潛力各不相同，從測(cè)試組合中，綠色巨藻組合物獲得了PHA的最大產(chǎn)出率。他們還研究了不同濃度的水解產(chǎn)物對(duì)PHA的影響，測(cè)定了新合成的PHA的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與先前使用的其他碳源作為底物的報(bào)道相同。研究結(jié)果證明，近海生長(zhǎng)的海藻可成為長(zhǎng)期生產(chǎn)生物聚合物的可持續(xù)和環(huán)保的替代品，而且實(shí)驗(yàn)展示的過(guò)程中，PHA的生產(chǎn)不使用淡水，這表明可持續(xù)工藝規(guī)模擴(kuò)大的可能性，這為生物加工和生物精煉技術(shù)發(fā)展邁出了一步。

但陳國(guó)強(qiáng)教授認(rèn)為，這還是一個(gè)新概念，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)該是二、三十年后的事，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，在海洋上采收藻類的成本也相對(duì)較高。

我國(guó)“藍(lán)水生物技術(shù)”工藝完成中試

陳國(guó)強(qiáng)教授介紹，生物工業(yè)相比傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)有顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)生物反應(yīng)所需條件都相對(duì)溫和，不需要高溫高壓等嚴(yán)苛條件，所用的原料以及代謝廢物對(duì)于環(huán)境沒(méi)有危害，因而生物聚酯研究在國(guó)際上迅猛發(fā)展。我國(guó)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(duì)苯二甲酸已二酸丁二酯(PBAT)和二氧化碳共聚物(PPC)等基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化都進(jìn)展很快，已領(lǐng)先國(guó)際同行水平。

據(jù)悉，由清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院首創(chuàng)的“下一代工業(yè)生物技術(shù)”已于2017年12月完成了PHA工業(yè)化生產(chǎn)的中試試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)滅菌開放連續(xù)發(fā)酵低成本PHA量產(chǎn)能力。為了實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的快速產(chǎn)業(yè)化，在清華大學(xué)的支持下，北京藍(lán)晶微生物科技有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出基于嗜鹽微生物的低成本生產(chǎn)技術(shù)——“藍(lán)水生物技術(shù)”，革命性地簡(jiǎn)化了PHA的合成工藝，中試生產(chǎn)基地也已建成投產(chǎn)。預(yù)計(jì)未來(lái)5年內(nèi)，我國(guó)PHA成本將不斷降低，市場(chǎng)占有率或?qū)⒋蠓嵘?/p>

我國(guó)的“藍(lán)水生物技術(shù)”，一方面可實(shí)現(xiàn)無(wú)滅菌開放式連續(xù)發(fā)酵，減少滅菌過(guò)程的能耗及其所帶來(lái)的復(fù)雜操作和人力成本，實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn);另一方面，培養(yǎng)嗜鹽微生物需要含高濃度鹽的底物培養(yǎng)基，這意味著可以使用海水來(lái)替代淡水資源，從而避免水資源問(wèn)題。此外，無(wú)需滅菌還意味著生物反應(yīng)器無(wú)需使用不銹鋼材料來(lái)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(shè)備成本。目前，全球首創(chuàng)的5噸級(jí)塑料生物反應(yīng)器已組裝運(yùn)行，但面對(duì)市場(chǎng)，還有很多挑戰(zhàn)。

陳國(guó)強(qiáng)教授說(shuō)，雖然目前此項(xiàng)工業(yè)技術(shù)已日趨成熟，成本也在逐年下降，但從全球范圍看，阻斷“白色污染”的力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，政策導(dǎo)向與推廣仍是一個(gè)普遍性問(wèn)題。