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吃废水、吃塑料、吃金属废物……能「吃一切」的超级工程菌是如何带来「绿色工厂」的?

生辉SciPhi | 专注于生命科学产业 2021/10/13 09:03

自 2015 年联合国可持续发展峰会召开以来,全球的环境问题、如何实现可持续发展等成为了绕不过去的话题。

少数的富豪忙着 “上天”,而大多数地面上的问题还要解决。除了研究人员正在不断推动技术进步之外,解决问题也可能需要依靠微生物的帮助。

自 19 世纪初期,人们已经发现,部分微生物能够利用自身的新陈代谢来消耗某些特殊的化学物质。但它们通常效率低下,因此代谢工程被用来提高微生物的性能。从 1990 年代开始,利用代谢工程对微生物细胞进行改造,以实现特殊用途成为了生物界的热门课题。

近年来,通过与合成生物学相结合,代谢工程变得更加强大。基于合成生物学设计和构建新型生物功能和系统的优势,与代谢工程相结合从而开发具有各类功能的工程化微生物成为了解决地球困境的有效帮手。

在应用端,科学家们已经不满足于简单的生物分子合成,合成生物学技术逐渐进入到能源、环境、重工业等领域。各类经过基因编辑、改造代谢的微生物们正在试图解决 原材料采集和加工、废物处理以及衍生的环境污染等问题

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减轻海洋石油污染

10 月 6 日,加利福尼亚州南部奥兰治县海岸风平浪静,一股黑色液体缓缓从海底浮至海面,这是该地区 “十年来最严重” 的原油泄漏事故,起因是输油管道出现了一条裂缝。这也造成了约 35 平方公里的海面和部分海滩被污染,严重影响了当地生态环境。

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在过去的几十年里,发生了许多重大的石油泄漏事件,每次都会造成造成无法估量的环境和生态破坏。目前处理石油泄漏的方法有打捞、物理屏障和化学分散剂等,但仍无法阻止石油中的化学成分飘向海洋深处, 而基于微生物的生物修复方法因其生态相容性和较低的成本而越来越受到关注。

早在上世纪 90 年代,许多能够分解石油分子的微生物就已经被鉴定出来,包括细菌、真菌和微藻等。

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图丨涉及不同微生物分类群的生物修复策略的一般方案(来源:Microorganisms. 2021 Aug; 9 (8): 1695.)

在海洋的不同深度环境中,温度、光照、压强等物理因素不同,因此游离或沉积的石油分子类型不同,需要设计不同的生物降解方案。

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图丨以不同氧化还原条件为特征的海洋沉积物中碳氢化合物降解所涉及的代谢过程的概念图(来源:Microorganisms. 2021 Aug; 9 (8): 1695.)

常见的细菌一般是伽马变形菌纲,包括海洋螺旋体目和互变单胞菌目的成员, 这些细菌的嗜盐特征也让它们表现出了比陆地细菌更强的降解碳氢化合物的能力。

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图丨从不同海洋生态系统中分离出的石油降解细菌及其碳氢化合物特异性的概述。(来源:Microorganisms. 2021 Aug; 9 (8): 1695.)

除了直接利用碳氢化合物之外,另一个策略是 利用微生物生产表面活性剂化合物,来提高污染环境的生物修复效率。

限制碳氢化合物生物降解的因素之一是它们的疏水性,导致其生物利用度差,而表面活性剂具有两亲性,即亲水和亲油特性,可以将海底污泥中的石油分子有效分离,可以帮助提高微生物对碳氢化合物的生物利用度。

随着生物材料技术的发展,诞生了加速海洋生物修复的新方法, 使用新材料作为微生物的载体,把微生物包裹在由海藻酸钙和壳聚糖等组成的 “胶囊” 中, 可漂浮在受油污染的海水上。这种 “胶囊” 有纳米级的多孔结构,允许特定的分子内外交换,既保证了微生物可以在高度污染海水中的长期存活问题,又能够长时间地进行碳氢化合物的降解过程,在沿海海水中进行的现场中观实验表明,大部分石油烃(> 98%)在 24 小时内从海水表面去除。

此外,真菌和微藻也是海洋生物修复重点研究生物。 设计细菌、真菌和微藻的生物组合,可能是未来用于修复海洋环境的新策略。 然而,不同的微生物分类群具有不同的代谢要求,并且在石油烃的生物降解中表现出不同的效率,这也可能因烃的化学结构和生物利用度以及环境条件而有很大差异。

未来的研究应致力于了解微生物类群之间潜在的协同相互作用,并评估它们在原位和异位生物修复应用后去除碳氢化合物的潜力。

同时还应考虑环境基质中存在的其他类型污染物,例如重金属等。事实上,生物降解策略可能会导致重金属的流动性和生物利用度发生重大变化,反而可能会增加环境风险。因此,应进行准确的风险分析以评估生物处理的背景影响,特别是对于以混合化学污染(有机 + 无机污染物)为特征的海洋沉积物。

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从塑料到塑料的循环

塑料污染已成为一个全球性的威胁,PlasticsEurope 网站 2020 年发布的数据显示,全球塑料生产规模在过去六年中增长了 21%,2019 年达到 3.68 亿吨。当前对塑料废弃物的处理方式主要有 3 种:填埋、焚烧或回收处理。

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(来源:合成生物学助力废弃塑料资源生物解聚与升级再造[J]. 合成生物学, 2021,2(2):161-180)

得益于自然演化,一些微生物进化出了降解塑料的酶,这些微生物或者酶成为了生物法降解塑料的关键。生物降解指通过微生物作用将底物分解转化,由需氧微生物完全转化为二氧化碳、水、矿物质和生物质,或者在厌氧性生物作用下转化为二氧化碳、甲烷和腐殖质等。

羊毛出在羊身上,这类微生物一般会出现在塑料垃圾聚集的地方,2016 年,日本科学家 Yoshida 从大阪一个瓶子回收工厂的污泥中,发现了具有分解 PET 塑料能力的细菌 I. sakaiensis  201-F6,能在 30 摄氏度的反应条件下,用 6 周时间完全降解低结晶度 PET 薄膜,是目前已知对 PET 降解效果最好的一株细菌。

此后科学家们陆续从垃圾处理场、废旧油田等地方发现了具有降解不同种类塑料的微生物或酶。目前针对市场上的大量常用的塑料种类(PET 、PE、 PVC、PP、 PS 和 PUR),科学家都找出了可将其一一降解的微生物 。

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图丨水解型塑料解聚酶挖掘(来源:合成生物学助力废弃塑料资源生物解聚与升级再造[J]. 合成生物学, 2021,2(2):161-180)

但天然微生物或酶的效率极低, 塑料解聚酶元库存在催化效率低、稳定性差、表达量低等问题,限制了塑料解聚酶的规模化生产与应用。 在微生物降解一个 PET 塑料瓶的时间内,世界上可能也同时多出了十万个废瓶。

在合成生物学技术的加持下,利用理性设计、定向改造等蛋白质工程技术方法,为提高塑料解聚酶的活性、稳定性和特异性提供了新的解决方案。

目前来看,法国 Carbios 走在了 PET 塑料回收产业的最前端,虽然成立近十年,无一年盈利,全靠政府救济,但在今年 10 月 6 日,其首个 PET 塑料回收工业示范工厂,也是世界首家示范工厂在法国克莱蒙费朗落地。示范工厂包括一个 20 立方米的解聚反应器,每个循环能够处理 2 吨 PET,相当于十万个塑料瓶。

早在今年 6 月,Carbios、欧莱雅、雀巢、百事可乐和三得利共同宣布,Carbios 成功生产出世界上第一个以废弃塑料为原料的食品级 PET 塑料瓶,Carbios 为这些合作伙伴分别生产了样瓶。Carbios 也曾放出豪言,未来或许不需要生产新的 PET 塑料,现有的塑料已足够支持循环使用。

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图丨首个由废塑料制造的 PET 瓶(来源:Carbios)

Carbios 研发团队历经 2 年时间从 10 万种微生物中,筛选出了一种具有改造潜力的微生物。这种微生物是从秋天堆肥的叶子中发现的,其产生的水解酶可以分解叶子的叶膜,研究人员对其进行改造,最终获得了一种高效的 PET 水解酶,并申请了专利。 该酶可在 16 小时内分解 97% 的任何种类的 PET 塑料,比迄今为止任何生物塑料回收试验的效率都高出 1 万倍。

与 Carbios 类似,国内天津恩博华科技有限公司也有 PET 回收的专利技术,其核心的解聚酶是 PET 降解研究中最常用的角质酶,可将塑料制品降解为低聚物或单体,然后再将其回收利用。

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昔日矿山废料将成 “宝藏”

生物冶金是一种使用微生物从低品相矿石或矿山废料中提取金属的过程,也被称作微生物采矿。根据主要作用原理的不同,这一过程又包含生物浸出、生物氧化等。

简单来说, 生物浸出是指微生物将目标金属转化为可溶形式,其本质是矿石的分步氧化分解。 比如铜等金属通常存在于硫化矿物中,而部分微生物则特别擅长氧化硫化矿物,并释放出铜离子。由于反应介质的酸性,铜离子可以保留在溶液中,然后通过电化学反应富集到电极上。

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图丨中南大学建立的硫化矿分步氧化模型(来源:中国有色金属学报)

与之相对的, 若是杂质被溶解,而目标金属富集在固体中时,则称之为生物氧化。 其与生物浸出仅存在概念上的区别。 除此之外,基于还原条件下用于红土矿物挖掘的微生物也已进入应用场景。

基于微生物的冶金方法能够有效提高收益,同时限制了传统工艺中有毒化学品的使用。此外,还能够减少了二氧化碳排放并降低整个过程的碳足迹和水足迹。 与此同时,生物采矿技术也可用于清理被污染的矿山,以及从工业残渣和废物中回收金属。

铜矿、金矿是该领域中最重要的工业应用。 全球范围内通过生物浸出法提取的铜已达 10-15%;而生物氧化的黄金产量则约为 5%。除了铜、金之外,生物冶金已扩展至钴、镍、锌、铀和稀土元素等。

早在 1950 年代,基于氧化亚铁硫杆菌的发现,生物冶金的概念被首次提出。自那以后的几十年间,研究人员一直在进行尝试,但却进展缓慢。

部分原因是由于采矿公司不愿投入资金更新基础设施,但更大的问题在于 此前微生物提取金属的时间成本过于漫长: 传统方法提取金属需要数小时或数天,而微生物可能需要数周、数月甚至更长的时间。这对于将经济收益视为首要标准的采矿业来说显然是致命硬伤。

因此,通过微生物筛选、基因改造等技术加速采矿速度、提高收率一直是该领域发展的重点。

2002 年,位于智利的全球第一铜矿企业 Codelco 成立合资公司 BioSigma SA,致力于研发并推进更快速、更高收率的生物冶金技术。其专有的微生物技术在 2005 年完成中试规模的试验。

到了 2010 年左右,采矿业的心态发生了明显转变,全球多家知名矿业公司陆续表现出对于生物冶金的兴趣。究其原因, 高含量矿石资源的耗竭与日益昂贵的能源价格是主要推手。

英国威尔士班戈大学的微生物学家 D. Barrie Johnson 曾表示,此前铜含量低于 5% 的矿石不值得开采。但现在,那些过去遗留下的含有 0.4% 或 0.5% 铜的采矿废浆都成为了宝藏。

另一方面, 能够在常温常压下进行的生物冶金 也对一众 “耗能巨户” 充满致命吸引力:例如镍的传统提炼工艺需 800℃,而微生物冶金过程仅需 30℃。

2014 年,Codelco 正式宣布,开始大规模地使用生物冶金技术获取产品。该公司表示,将首次使用其专有细菌以便从黄铜矿中提取铜,在此之前,标准的生物浸出法对于黄铜矿无能为力。

日前,智利科学家 Nadac Reales 通过一种提取的嗜铁端勾螺旋菌,从而提高湿法冶金中的金属回收率。

经过两年试验,Reales 发现 “饥饿” 状态下嗜铁端勾螺旋菌分解金属的速度显著提高,其分解一根铁钉的用时从最初的两个月缩短为三天。此外,生物化学试验显示该菌对人类和生态环境无害,有望大批量用于提取铜类等金属。

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图丨 Reales 展示食金属细菌罐内溶解的钉子和螺丝(来源:Meganoticias)

在我国,生物冶金也是长期化的发展项目。1950 年代同期,中南矿冶学院(现中南大学)何复熙教授成立了生物冶金实验室。到了 1997 年和 2001 年,中南大学在江西德兴铜矿和福建紫金山铜矿分别建成两座千吨级以上的生物提铜堆浸厂。

近年来,随着生物学技术的飞速发展,基因和基因组、宏基因组等技术越来越多被应用于生物冶金领域。尤其是基因组技术的应用,加速了对于该领域微生物的研究水平,采矿效率和使用范围得到进一步拓展。

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(来源:中国有色金属学报)

不仅是中南大学,山东大学生命科学学院的微生物技术国家重点实验室,也在长期从事极端嗜酸性自养微生物分子研究并获得多项专利。

需要注意的是,虽然生物冶金技术有效限制了有毒制剂,但也并不能完全避免采矿业可能造成的巨大环境污染。其副产物硫酸、目标金属中间液等依然是致命的潜在污染源,需要受到严格监管。

2012 年,欧洲最大的生物开采矿山 Talvivaara Sotkamo 发生废液泄漏,该矿山经营公司 Ahtium Plc 已于 2018 年申请破产。

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图丨 Talvivaara 矿泄漏后研究人员采集水样(来源:nuclear-heritage)

生物采矿是一个小众市场,但随着资源紧缩、环境压力和法规的增加,越来越多的矿业公司正在积极地加入这一领域。

参考资料:

  • https://doi.org/10.3390/min6010023

  • https://link.springer.com/article/10.1007/s00253-013-5095-3

  • https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8400010/

  • https://cen.acs.org/articles/90/i42/Mining-Microbes.html

  • https://phys.org/news/2021-10-chilean-scientist-metal-bacteria.html

  • https://www.reuters.com/article/chile-codelco-technology-idUSL5N0QV42M20140826

  • https://www.forbes.com/sites/scottcarpenter/2021/03/10/the-race-to-develop-plastic-eating-bacteria/?sh=557f08547406

  • 钱秀娟,刘嘉唯,薛瑞,刘豪杰,闻小红,杨璐,徐安明,许斌,信丰学,周杰,董维亮,姜岷。合成生物学助力废弃塑料资源生物解聚与升级再造[J]. 合成生物学, 2021,2(2):161-180

  • 李恒昌,丁明珠。石油烃生物降解过程的研究进展 [J]. 生物工程学报,2021,37 (8):2765~2778

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