塑料是我們生活中最常見的材料之一，它是重要的有機合成高分子材料，通常用石油煉制的產(chǎn)品制成，一個非常殘酷的事實是塑料的降解大概需要300年，而人類發(fā)明第一塊塑料是在1862年，意味著什么？這意味著人類發(fā)明的第一塊塑料想要降解完還需要150年。人們喜歡塑料的廉價與方便，但是，廢棄塑料帶來的“白色污染”也越來越嚴重。塑料有沒有可能變成一種有利無害的材料呢？科學家們?yōu)榇搜邪l(fā)出了塑料的新品種“生物塑料”。

大家點外賣的時候會配送一些很脆的、稍微使點勁就容易斷的刀和叉。這些刀叉也是微生物合成的，大家可能會覺得很神奇，這是怎么做的呢？玉米淀粉被微生物變成了乳酸，再經(jīng)過適當?shù)幕ぞ酆?，最終把它變成了我們想要的這種塑料，現(xiàn)在外賣里大量的刀叉都是拿微生物來制造的。

PHA：一種可食的塑料 由細菌合成的聚合物材料

從1994年回國至今，清華大學教授陳國強一直在研究生物塑料。不少微生物能生產(chǎn)一種塑料，叫PHA。PHA全名是聚羥基脂肪酸酯，是一種細菌合成的聚合物材料。

由此，陳國強所在的清華大學生命科學院合成與系統(tǒng)生物學中心，與山東一家企業(yè)展開PHA項目產(chǎn)學研合作。在該公司的展示廳里，展示了PHA粒料制成的各種終端產(chǎn)品：有刀叉勺等一次性塑料餐具，有彩色的3D打印線材，有薄薄的可降解農(nóng)膜，有成卷的超市塑料袋，有可以做出衣物布料的電紡纖維……

與石油基塑料相比，這種生物塑料做出的產(chǎn)品有哪些好處？最大好處是綠色環(huán)保。

陳國強團隊曾在清華大學校園里做過這么一個實驗：學生們在校園里挖了一個坑，把PHA和聚乙烯兩種塑料片埋到土里。半年后他們把塑料片挖出來，PHA塑料片已經(jīng)千瘡百孔、細菌在上面快樂地生長。再過一段時間PHA塑料片已完全找不到，而用做對照的聚乙烯塑料片完好無損，至少要花數(shù)百年的時間才能降解。

此外，生活中經(jīng)常會看到動物因吞食塑料而死、植物因塑料添加劑的毒性而枯萎，這些塑料都是石油基塑料制品，如果換成PHA塑料就不會出現(xiàn)這種惡果。陳國強團隊曾給剛斷奶仔豬的飼料中添加PHA塑料顆粒，發(fā)現(xiàn)沒有對豬仔的生長發(fā)育產(chǎn)生毒害作用?！癙HA塑料是微生物脂肪，可以食用?！?/strong>

不僅如此，陳國強團隊還研究出一系列的PHA家族高端產(chǎn)品——PHBHHx和它的衍生物。由于具有很好的生物相容性和生物降解性，其醫(yī)用價值被逐漸開發(fā)出來。它可以開發(fā)軟骨修復材料、神經(jīng)導管、人工食道等；它可以補腦，改善老年癡呆癥狀；它還能減少鈣流失，其衍生物已成為針對航天員骨質(zhì)疏松的候選口服藥物，正在進行各種實驗。

目前，PHA中的P4HB已經(jīng)作為手術(shù)縫線，在美國批準進入了臨床。

那么，為何PHA還是令普通百姓感到陌生，并沒有大規(guī)模進入他們的日常生活呢？

原來，作為醫(yī)療類產(chǎn)品的應用，因涉及人體健康安全，需要長時間的審批和實驗周期。而作為工業(yè)類產(chǎn)品的應用，又受限于PHA傳統(tǒng)制備方式的高昂成本，難以市場化。

“PHA生產(chǎn)成本高昂，價格遠高于其他可降解材料。所以，盡管PHA力學性能優(yōu)異，可100%完全降解，但在可降解材料市場中占有率僅為5%，遠低于可降解材料PLA和PBAT。”陳國強說，現(xiàn)有生物制造技術(shù)無法使PHA制造成本降低到能與石油基材料競爭的水平，迫切需要發(fā)展新一代生物制造技術(shù)?！叭绻鸓HA通過下一代生物制造技術(shù)獲得競爭性,其他生物塑料產(chǎn)品也可能通過該技術(shù)獲得競爭性！”

嗜鹽菌：一場神奇的改造 可解決現(xiàn)有生物制造技術(shù)4個短板

陳國強團隊分析了PHA生物制造的成本結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)底物（原料）成本占50%、能耗占27%、下游生產(chǎn)成本占23%。他們決定從占成本比例最高的底物做起?！艾F(xiàn)有生物制造技術(shù)有很多缺點，比如大量耗淡水、高能耗、易染雜菌、設備投資大、使用大量農(nóng)產(chǎn)品(4.810, 0.01, 0.21%)做原料、原料轉(zhuǎn)化率低等。我們希望下一代生物技術(shù)解決這些難題，第一步就要找出符合需要的極端微生物底盤?！标悋鴱娬f。

現(xiàn)有技術(shù)中，很多微生物都可以生產(chǎn)PHA，但都需要耗費大量淡水。能不能用海水替代淡水進行生產(chǎn)呢？

陳國強想起小時候的經(jīng)歷。在海邊長大的他，小時候皮肉受傷只要去海里洗洗，傷口很快就好了。因為絕大部分細菌沒法在海水里存活下來，它們會被“咸”死。如果能在取之不竭的海水中找到一種可以快速生長的細菌來生產(chǎn)PHA，就可以同時解決掉4個短板：用海水代替淡水，不必大量消耗寶貴水資源；無滅菌發(fā)酵可降低生產(chǎn)成本；高鹽高pH值不易染雜菌，可連續(xù)生產(chǎn)；無需高溫滅菌，因而可以用廉價塑料等材料代替昂貴的不銹鋼制作生物反應器。

自然界還真有一些細菌喜歡鹽分，它們被稱作“嗜鹽細菌”。陳國強團隊決定尋找最強的嗜鹽菌，把目光瞄準了新疆的艾丁湖。艾丁湖是世界最酷熱干燥的地區(qū)之一，鹽濃度高達200克/升。在這里，他們篩選出兩種嗜鹽的野生菌：Halomonas TD和LS21。

“這兩種野生菌都能在海水里快速生長，并產(chǎn)出生物塑料PHA?！标悋鴱娊榻B，研發(fā)團隊依照降低成本的生產(chǎn)需求，對這兩種野生菌進行了精準的基因改造。

為解決傳統(tǒng)生產(chǎn)消耗大量農(nóng)產(chǎn)品做原料的問題，他們重構(gòu)Halomonas底盤細胞底物代謝途徑，使之能利用多種底物?！昂唵蔚卣f，就是讓它們不挑食，用玉米淀粉能生產(chǎn)PHA，用廚余垃圾也能生產(chǎn)PHA?！?strong>陳國強說，這樣的改造，讓未來這種技術(shù)可以在設備小型化后進入家庭，將廚余垃圾制成塑料袋等生活用品。

為解決原料轉(zhuǎn)化率低的問題，他們給Halomonas配置了血紅蛋白細胞?！耙驗槲矣醒t蛋白細胞，我的氧氣利用率至少是細菌的700倍。給嗜鹽菌配置血紅蛋白細胞后，可以提高它對氧氣的利用率，從而加速生長、降低能耗，提高底物轉(zhuǎn)化率?！标悋鴱娬f。

傳統(tǒng)方式制造的PHA反應過程慢、細胞太小、濃度低、回收困難。他們通過重編群體效應代謝通路增加了PHA產(chǎn)物濃度；通過可控誘導MinCD表達使底盤細胞從短桿狀變?yōu)殚L纖維等手段，解決了傳統(tǒng)技術(shù)中產(chǎn)物回收困難的問題；他們還把細菌生長方式從二等分變?yōu)槎喾至?，通過改變細菌分裂方式讓反應過程加快。

改造成功的嗜鹽菌奠定了下一代工業(yè)生物技術(shù)成功的基礎。

“現(xiàn)代工業(yè)生物技術(shù)需要博士在實驗室里進行復雜的無菌操作，而我理想中的下一代工業(yè)生物技術(shù)是文化水平一般者都能進行的簡單開放操作。”陳國強說。

為實現(xiàn)這個理想，他們對PHA項目進行了工業(yè)化研發(fā)。投資建設了百盛藍素生物科技有限公司，專注于PHA研發(fā)生產(chǎn)。2017年12月，用于PHA全生物基可降解材料生產(chǎn)的下一代工業(yè)生物技術(shù)完成了全技術(shù)鏈條中試實驗，具備完全工業(yè)化條件。隨后的目標是建設千噸級繼而萬噸級工業(yè)生產(chǎn)線。

不是簡單的走通了工藝，而是完成了從PHA合成、產(chǎn)物純化、高分子加工改性到產(chǎn)品化的全流程。該公司用中試生產(chǎn)線合成的PHA制成了可生物降解的農(nóng)用地膜，超市購物袋，快遞和外賣的包裝材料，甚至把PHA制成了紗線，進而紡成布料用以代替絲綢。

陳國強表示：“下一代工業(yè)生物技術(shù)現(xiàn)在只是初步研制成功，我希望將它進一步發(fā)展完善，讓生物塑料部分代替化學工業(yè)，提供大量材料、燃料、藥品和其他衣食住行必需品。希望以極端微生物合成生物學為基礎的工業(yè)生物制造，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?！?/p>

很多人在做科研的時候都會關(guān)注一點，就是科技的創(chuàng)新性如何。但是陳國強團隊更關(guān)注的一點是，科技這個東西怎么樣更好的應用于我們的生活。因為我們生活中很多時候遇到的問題不僅僅是科學問題，作為科學家我們也不能關(guān)心的僅僅是科學，我們要綜合運用金融、教育、人文、管理等各個方面的力量把它們綜合在一起，為我們的未來創(chuàng)造一個更加綠色、智能、環(huán)保的世界。