塑料是我們生活中最常見(jiàn)的材料之一，它是重要的有機(jī)合成高分子材料，通常用石油煉制的產(chǎn)品制成，一個(gè)非常殘酷的事實(shí)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(jià)與方便，但是，廢棄塑料帶來(lái)的“白色污染”也越來(lái)越嚴(yán)重。塑料有沒(méi)有可能變成一種有利無(wú)害的材料呢？科學(xué)家們?yōu)榇搜邪l(fā)出了塑料的新品種“生物塑料”。

大家點(diǎn)外賣的時(shí)候會(huì)配送一些很脆的、稍微使點(diǎn)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(huì)覺(jué)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(guò)適當(dāng)?shù)幕ぞ酆希罱K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(lái)制造的。

PHA：一種可食的塑料 由細(xì)菌合成的聚合物材料

從1994年回國(guó)至今，清華大學(xué)教授陳國(guó)強(qiáng)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(xì)菌合成的聚合物材料。

由此，陳國(guó)強(qiáng)所在的清華大學(xué)生命科學(xué)院合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心，與山東一家企業(yè)展開(kāi)PHA項(xiàng)目產(chǎn)學(xué)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(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)曾在清華大學(xué)校園里做過(guò)這么一個(gè)實(shí)驗(yàn)：學(xué)生們?cè)谛@里挖了一個(gè)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(lái)，PHA塑料片已經(jīng)千瘡百孔、細(xì)菌在上面快樂(lè)地生長(zhǎng)。再過(guò)一段時(shí)間PHA塑料片已完全找不到，而用做對(duì)照的聚乙烯塑料片完好無(wú)損，至少要花數(shù)百年的時(shí)間才能降解。

此外，生活中經(jīng)常會(huì)看到動(dòng)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(huì)出現(xiàn)這種惡果。陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)曾給剛斷奶仔豬的飼料中添加PHA塑料顆粒，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有對(duì)豬仔的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生毒害作用。“PHA塑料是微生物脂肪，可以食用?！?/strong>

不僅如此，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)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(jià)值被逐漸開(kāi)發(fā)出來(lái)。它可以開(kāi)發(fā)軟骨修復(fù)材料、神經(jīng)導(dǎo)管、人工食道等；它可以補(bǔ)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(duì)航天員骨質(zhì)疏松的候選口服藥物，正在進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。

目前，PHA中的P4HB已經(jīng)作為手術(shù)縫線，在美國(guó)批準(zhǔn)進(jìn)入了臨床。

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

原來(lái)，作為醫(yī)療類產(chǎn)品的應(yīng)用，因涉及人體健康安全，需要長(zhǎng)時(shí)間的審批和實(shí)驗(yàn)周期。而作為工業(yè)類產(chǎn)品的應(yīng)用，又受限于PHA傳統(tǒng)制備方式的高昂成本，難以市場(chǎng)化。

“PHA生產(chǎn)成本高昂，價(jià)格遠(yuǎn)高于其他可降解材料。所以，盡管PHA力學(xué)性能優(yōu)異，可100%完全降解，但在可降解材料市場(chǎng)中占有率僅為5%，遠(yuǎn)低于可降解材料PLA和PBAT。”陳國(guó)強(qiáng)說(shuō)，現(xiàn)有生物制造技術(shù)無(wú)法使PHA制造成本降低到能與石油基材料競(jìng)爭(zhēng)的水平，迫切需要發(fā)展新一代生物制造技術(shù)。“如果PHA通過(guò)下一代生物制造技術(shù)獲得競(jìng)爭(zhēng)性,其他生物塑料產(chǎn)品也可能通過(guò)該技術(shù)獲得競(jìng)爭(zhēng)性！”

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

陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)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(diǎn)，比如大量耗淡水、高能耗、易染雜菌、設(shè)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?guó)強(qiáng)說(shuō)。

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(fèi)大量淡水。能不能用海水替代淡水進(jìn)行生產(chǎn)呢？

陳國(guó)強(qiáng)想起小時(shí)候的經(jīng)歷。在海邊長(zhǎng)大的他，小時(shí)候皮肉受傷只要去海里洗洗，傷口很快就好了。因?yàn)榻^大部分細(xì)菌沒(méi)法在海水里存活下來(lái)，它們會(huì)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(zhǎng)的細(xì)菌來(lái)生產(chǎn)PHA，就可以同時(shí)解決掉4個(gè)短板：用海水代替淡水，不必大量消耗寶貴水資源；無(wú)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(wú)需高溫滅菌，因而可以用廉價(jià)塑料等材料代替昂貴的不銹鋼制作生物反應(yīng)器。

自然界還真有一些細(xì)菌喜歡鹽分，它們被稱作“嗜鹽細(xì)菌”。陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)決定尋找最強(qiáng)的嗜鹽菌，把目光瞄準(zhǔn)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(dá)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(zhǎng)，并產(chǎn)出生物塑料PHA。”陳國(guó)強(qiáng)介紹，研發(fā)團(tuán)隊(duì)依照降低成本的生產(chǎn)需求，對(duì)這兩種野生菌進(jìn)行了精準(zhǔn)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(wèn)題，他們重構(gòu)Halomonas底盤細(xì)胞底物代謝途徑，使之能利用多種底物?！昂?jiǎn)單地說(shuō)，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(guó)強(qiáng)說(shuō)，這樣的改造，讓未來(lái)這種技術(shù)可以在設(shè)備小型化后進(jìn)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(wèn)題，他們給Halomonas配置了血紅蛋白細(xì)胞。“因?yàn)槲矣醒t蛋白細(xì)胞，我的氧氣利用率至少是細(xì)菌的700倍。給嗜鹽菌配置血紅蛋白細(xì)胞后，可以提高它對(duì)氧氣的利用率，從而加速生長(zhǎng)、降低能耗，提高底物轉(zhuǎn)化率。”陳國(guó)強(qiáng)說(shuō)。

傳統(tǒng)方式制造的PHA反應(yīng)過(guò)程慢、細(xì)胞太小、濃度低、回收困難。他們通過(guò)重編群體效應(yīng)代謝通路增加了PHA產(chǎn)物濃度；通過(guò)可控誘導(dǎo)MinCD表達(dá)使底盤細(xì)胞從短桿狀變?yōu)殚L(zhǎng)纖維等手段，解決了傳統(tǒng)技術(shù)中產(chǎn)物回收困難的問(wèn)題；他們還把細(xì)菌生長(zhǎng)方式從二等分變?yōu)槎喾至?，通過(guò)改變細(xì)菌分裂方式讓反應(yīng)過(guò)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(chǔ)。

“現(xiàn)代工業(yè)生物技術(shù)需要博士在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行復(fù)雜的無(wú)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(jìn)行的簡(jiǎn)單開(kāi)放操作?！标悋?guó)強(qiáng)說(shuō)。

為實(shí)現(xiàn)這個(gè)理想，他們對(duì)PHA項(xiàng)目進(jìn)行了工業(yè)化研發(fā)。投資建設(shè)了百盛藍(lán)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(shí)驗(yàn)，具備完全工業(yè)化條件。隨后的目標(biāo)是建設(shè)千噸級(jí)繼而萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)生產(chǎn)線。

不是簡(jiǎn)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(gòu)物袋，快遞和外賣的包裝材料，甚至把PHA制成了紗線，進(jìn)而紡成布料用以代替絲綢。

陳國(guó)強(qiáng)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(jìn)一步發(fā)展完善，讓生物塑料部分代替化學(xué)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(xué)為基礎(chǔ)的工業(yè)生物制造，可以克服現(xiàn)有生物制造的缺點(diǎn)，促進(jìn)我國(guó)生物制造的全面升級(jí)換代，解決面臨的生態(tài)、資源和可持續(xù)發(fā)展危機(jī)。”

很多人在做科研的時(shí)候都會(huì)關(guān)注一點(diǎn)，就是科技的創(chuàng)新性如何。但是陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)更關(guān)注的一點(diǎn)是，科技這個(gè)東西怎么樣更好的應(yīng)用于我們的生活。因?yàn)槲覀兩钪泻芏鄷r(shí)候遇到的問(wèn)題不僅僅是科學(xué)問(wèn)題，作為科學(xué)家我們也不能關(guān)心的僅僅是科學(xué)，我們要綜合運(yùn)用金融、教育、人文、管理等各個(gè)方面的力量把它們綜合在一起，為我們的未來(lái)創(chuàng)造一個(gè)更加綠色、智能、環(huán)保的世界。