利用“下一代工业生物技术”有望实现海水变“燃料”

最近，英国曼彻斯特大学发布消息称，其生物技术研究所的研究人员正与一家美国研究机构合作，探索利用合成生物学生产新一代生物燃料，将海水作为原材料的一部分。

研究人员发现海水中的盐单胞菌可以为高价值化合物的合成提供有效的“微生物底盘”。未来，这种新一代生物燃料生产方法可以通过类似于酿造工业的生产方法实现更经济的生物燃料规模化生产。

对于生物燃料行业来说，这项研究是一个突破。然而，据《中国科学》采访，清华大学生命科学学院教授陈国强早在2006年就开始了海水发酵的研究工作。2018年，以海水为介质的下一代工业生物技术首次出现在《生物技术当前观点》杂志上。曼彻斯特大学的这项研究是这项技术的进一步延伸。

"这项技术最大限度地降低了生物燃料的成本，具有良好的前景."陈国强说，该团队在应用下一代工业生物技术方面已经克服了许多困难。目前，海水可作为发酵水生产生物降解塑料，并已实现小规模(35吨级)工业应用。现在，正在进行大规模的工业化尝试。

生物制造技术升级

尽管化学工业对现代社会做出了巨大贡献，但它也带来了许多问题，如环境污染和温室气体排放。随着分子生物学、生物化学和合成生物学的快速发展，工业生物技术被认为是一种更有效的手段，它利用生物产品如活生物体、细胞器或酶以生物化学反应的形式处理原料。

然而，与传统化学工业相比，尽管工业生物技术对环境的破坏较小，但由于底物价格高、消毒灭菌程序复杂以及需要消耗大量能源和水资源，它在市场竞争中并不占据优势。开发一系列能高效、经济地生产各种产品的菌株已成为当前的一项重要任务。

因此，科学家们把注意力集中在生活在极端条件下并具有特殊性质的微生物上，如嗜盐、嗜碱、嗜酸和嗜热微生物。其中，嗜盐微生物，如嗜盐单胞菌(Halomonas)，因其在高盐高碱条件下进行开放式连续发酵的能力而成为工业生物技术研究的焦点。

陈国强表示，下一代工业生物技术是基于极端(嗜盐微生物)微生物合成生物学的工业生物制造技术。主要针对现阶段生物制造固有的缺点，如能耗、耗水量、工艺操作复杂、产品最终浓度低、产品纯化复杂、工艺不连续、设备投资昂贵、与人争食等。它在不易燃、无污染和低水耗的条件下部分取代了化学工业，为满足人类需求提供了大量的材料、燃料、药物、爆炸物和其他食品、服装、住房和交通必需品。

他认为，中国拥有世界上最大的工业生物制造业(产值近1万亿元)，迫切需要产业升级。下一代工业生物技术可以克服现有生物制造的不足，促进我国生物制造的全面升级，解决生态、资源和可持续发展危机。

海水的无限可能性

嗜盐微生物是一组在其生长过程中需要高浓度氯化钠的微生物。它们通常生活在高盐度环境或海洋中，盐单胞菌就是其中之一。曼彻斯特大学的研究侧重于利用合成生物学从盐单胞菌属生产生物燃料。生长在海水中。

研究人员表示，这项技术突破的关键是通过基因重组技术改变微生物的新陈代谢，创造高质量的生物燃料来替代原油。这种制造方法比目前使用的化学合成方法更有效和可持续。

目前，化学合成仍存在环境和经济问题。曼彻斯特大学生物技术研究所所长奈杰尔·斯考特顿(Nigel Scutton)表示，有效的生物燃料策略应该避免使用淡水，能够从微生物宿主中大规模、经济地生产燃料。改造细菌以复制相同的化学合成过程，不仅可以大大提高生物燃料生产的可持续性，限制有毒副产物的产生，而且不依赖原油等不可持续资源。

陈国强对利用海水制造生物燃料的前景也非常乐观，因为嗜盐菌本身处于高盐高碱的生长环境中，这使得它们不易受到细菌污染，因此它们不需要在无菌条件下进行。发酵过程不需要高温高压灭菌，可以长时间连续发酵，使得工艺操作更加简单，节能降耗，提高了产品的市场竞争力。

发酵过程不需要高温高压灭菌，因此不需要昂贵的不锈钢发酵罐和不锈钢管道系统，而是使用廉价的塑料、陶瓷甚至水泥罐或管道，大大减少了工艺设备的投资陈国强补充说，由于海水可以用来代替淡水，因此在此过程中产生的水可以多次循环使用，因此节约用水已成为一个主要优势。

此外，利用海水生产生物燃料不会与人们争夺食物。曼彻斯特大学生物技术研究所商业化主任柯克·马龙(Kirk Malone)表示，目前生物燃料生产依赖玉米和甜菜等作物，占用农田，利用海水生产生物燃料，可以减少燃料和食品生产掠夺资源之间的冲突。最终生产的生物燃料的质量与目前使用的燃料基本相同。运输车辆可以在不改装发动机的情况下使用，并且仍然保持高性能。

陈国强还指出，经合成生物学修饰的嗜盐菌可以利用淀粉、蛋白质、脂肪，甚至纤维素和脂肪酸等食物成分生长。甚至厨房垃圾也能让嗜盐菌生长并生产所需的产品。除了不与人争夺食物外，通过分子操作，嗜盐菌仍能在高密度条件下继续生长，从而大大提高产品的最终浓度；通过表达细菌分离遏制基因，细菌形态发生变化，能够产生自絮凝作用，菌体和发酵液自然分离，产品纯化变得更加简单。

技术挑战依然存在

围绕嗜盐微生物，陈国强的团队还进行了生物转化，将这种神奇的微生物转化为高效的生物制造平台，使其能够在非灭菌和连续过程中，以海水为介质高效生产各种生物塑料PHA(多羟基脂肪酸酯)，成本较之前的技术降低了三分之一。

据了解，PHA下一代工业生物技术的中试已经完成。中试生产线合成的PHA可制成可生物降解的农用地膜、超市购物袋、快递和外卖包装材料等。PHA甚至可以制成纱线，然后纺成布来代替丝绸。

尽管基于海水中嗜盐微生物的生物燃料生产前景也非常诱人，但如果将其应用于实践，在可行性方面仍存在技术障碍。陈国强告诉记者，嗜盐菌的合成生物转化很难进行。目前，最难解决的技术问题是在嗜盐菌中建立高效的燃料合成途径。

陈国强说，由于嗜盐菌的强壮性，发酵过程可以保持一致，简化了过程开发，未来的技术发展方向将集中于使用一个菌株生产多种产品。他说，未来，下一代工业生物技术将使国家能够生产大量的材料、燃料、药品、爆炸物和其他必需品，如食品、服装、住房和交通，以满足社会在战争等困难条件下的需要。（综合整理于新能源新闻网与中国科学报）