海水也可變“燃料”

文 李惠鈺

近日，英國曼徹斯特大學發布了一則消息稱，該校生物技術研究所的研究人員正在與美國一家研究機構合作，探討利用合成生物學技術制造新一代生物燃料，所使用的原料部分來自海水。

研究人員發現，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的生產方式實現更為經濟的生物燃料規模生產。

對于生物燃料行業來說，此項研究可謂是突破性的。不過，記者采訪發現，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酵的研究工作，并于2018年在《生物技術近期述評》（Current Opinion in Biotechnology）期刊首次提出以海水為介質的下一代工業生物技術，曼徹斯特大學此次的研究就是該技術的進一步延伸。

“這項技術最大限度地降低了生物燃料的成本，前景很好。”陳國強告訴記者，對于下一代工業生物技術的應用，該團隊已經克服了許多困難，目前可以利用海水作為發酵用水生產生物降解塑料，并實現了小規模（35噸規模）的工業應用，現在正在進行更大規模產業化的嘗試。

生物制造技術升級換代

由于大量嗜鹽微生物的存在，水面變成了粉紅色。

化學工業雖然為現代社會做出了極大的貢獻，但也帶來了環境污染、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生物技術，被認為是更有效的手段。

不過，相比傳統的化學工業，工業生物技術雖然對環境破壞更小，但由于底物價格昂貴、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勢。開發一系列可以高效、經濟地生產各類產品的菌種，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、連續的發酵，成為工業生物技術的研究熱點。

陳國強表示，下一代工業生物技術就是以極端（嗜鹽微生物）微生物合成生物學為基礎的工業生物制造技術，主要針對現階段生物制造固有的耗能、耗水、過程操作復雜、產物最終濃度低、產物純化復雜、過程不能連續、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，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，我國擁有世界規模最大的工業生物制造產業（產值近萬億元），迫切需要產業升級。下一代工業生物技術可以克服現有生物制造的缺點，促進我國生物制造的全面升級換代，解決面臨的生態、資源和可持續發展危機。

海水帶來的無限可能

合成的PHA可以制成可生物降解的農用地膜、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，這一技術突破的關鍵在于通過基因重組技術改變微生物的新陳代謝，以創造出用于替代原油的高質量生物燃料，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。

當前，化學合成的方式仍存在環境和經濟性等方面的問題。曼徹斯特大學生物技術研究所所長奈杰爾·斯庫頓表示，有效的生物燃料戰略應避免使用淡水，并能夠大規模、經濟地生產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性，限制有毒副產品的產生，還不依賴于原油等非可持續資源。

陳國強同樣非常看好利用海水制造生物燃料的前景，因為嗜鹽微生物本身就處于高鹽、高堿的生長環境，這讓它不易被染菌，所以不需要在無菌條件下進行。發酵過程中無須高溫高壓滅菌，并能夠進行長時間的連續發酵，這就使得過程的操作簡單了許多，并在很大程度上節能和降低成本，提高產品的市場競爭力。

“發酵過程無須高溫高壓滅菌，就不需要使用昂貴的不銹鋼發酵罐和不銹鋼管道系統，轉而使用便宜的塑料、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，此過程中產生的水可以多次循環利用，節水也成為一大優勢。”

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研究所商業化總監柯克·馬隆稱，目前，生物燃料制作依賴玉米、甜菜等作物，占用農地，借助海水制作生物燃料可減少燃料與糧食生產搶資源的矛盾，最終制造出來的生物燃料與現在使用的燃料品質基本一樣，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繼續生長，大幅提高產品最終濃度；通過表達細菌分離遏制基因，使細菌形態發生變化，能產生自凝絮作用，使菌體與發酵液自然分離，產物純化變得更為簡單。

仍存技術挑戰

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工藝過程中，以海水為介質高效生產各種生物塑料PHA（聚羥基脂肪酸酯），成本比之前的技術降低三分之一。

據記者了解，用于PHA的下一代工業生物技術中試已經完成，用中試生產線合成的PHA可以制成可生物降解的農用地膜、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難題就是在嗜鹽微生物中構建高效燃料合成路徑。

陳國強表示，由于嗜鹽細菌的魯棒性，發酵工藝也能保持一致，使工藝開發簡單化，未來技術研發的方向將聚焦在利用一個菌種進行多個產品的生產。他表示，未來，下一代工業生物技術將使國家在困難（如戰爭）的情況下，仍然能夠大量生產各種材料、燃料、藥品、炸藥和其他衣食住行等必需品，滿足社會需求。