吃廢水?吃塑料?吃金屬廢物能「吃一切」的超級工程菌是如何帶來「綠色工廠」

自2015年聯合國可持續發展峰會召開以來，全球的環境問題、如何實現可持續發展等成為了繞不過去的話題。

少數的富豪忙著“上天”，而大多數地面上的問題還要解決。除了研究人員正在不斷推動技術進步之外，解決問題也可能需要依靠微生物的幫助。

自19世紀初期，人們已經發現，部分微生物能夠利用自身的新陳代謝來消耗某些特殊的化學物質。但它們通常效率低下，因此代謝工程被用來提高微生物的性能。從20世紀90年代開始，利用代謝工程對微生物細胞進行改造，以實現特殊用途成為了生物界的熱門課題。

近年來，通過與合成生物學相結合，代謝工程變得更加強大。基于合成生物學設計和構建新型生物功能和系統的優勢，與代謝工程相結合從而開發具有各類功能的工程化微生物成為了解決地球困境的有效幫手。

在應用端，科學家們已經不滿足于簡單的生物分子合成，合成生物學技術逐漸進入到能源、環境、重工業等領域。各類經過基因編輯、改造代謝的微生物們正在試圖解決原材料采集和加工、廢物處理以及衍生的環境污染等問題。

減輕海洋石油污染

加利福尼亞州南部奧蘭治縣海岸風平浪靜，一股黑色液體緩緩從海底浮至海面，這是該地區“10年來最嚴重”的原油泄漏事故，起因是輸油管道出現了一條裂縫。這也造成了約35平方公里的海面和部分海灘被污染，嚴重影響了當地生態環境。

在過去的幾十年里，發生了許多重大的石油泄漏事件，每次都會造成無法估量的環境和生態破壞。目前處理石油泄漏的方法有打撈、物理屏障和化學分散劑等，但仍無法阻止石油中的化學成分飄向海洋深處，而基于微生物的生物修復方法因其生態相容性和較低的成本而越來越受到關注。

早在20世紀90年代，許多能夠分解石油分子的微生物就已經被鑒定出來，包括細菌、真菌和微藻等。

涉及不同微生物分類群的生物修復策略的一般方案

在海洋的不同深度環境中，溫度、光照、壓強等物理因素不同，因此游離或沉積的石油分子類型不同，需要設計不同的生物降解方案。

以不同氧化還原條件為特征的海洋沉積物中碳氫化合物降解所涉及的代謝過程的概念圖

常見的細菌一般是伽馬變形菌綱，包括海洋螺旋體目和互變單胞菌目的成員，這些細菌的嗜鹽特征也讓它們表現出了比陸地細菌更強的降解碳氫化合物的能力。

除了直接利用碳氫化合物之外，另一個策略是利用微生物生產表面活性劑化合物，來提高污染環境的生物修復效率。

從不同海洋生態系統中分離出的石油降解細菌及其碳氫化合物特異性的概述

限制碳氫化合物生物降解的因素之一是它們的疏水性，導致其生物利用度差，而表面活性劑具有兩親性，即親水和親油特性，可以將海底污泥中的石油分子有效分離，可以幫助提高微生物對碳氫化合物的生物利用度。

隨著生物材料技術的發展，誕生了加速海洋生物修復的新方法，使用新材料作為微生物的載體，把微生物包裹在由海藻酸鈣和殼聚糖等組成的“膠囊”中，可漂浮在受油污染的海水上。這種“膠囊”有納米級的多孔結構，允許特定的分子內外交換，既保證了微生物可以在高度污染海水中的長期存活問題，又能夠長時間地進行碳氫化合物的降解過程，在沿海海水中進行的現場中觀實驗表明，大部分石油烴（>98%）在24小時內從海水表面去除。

此外，真菌和微藻也是海洋生物修復重點研究生物。設計細菌、真菌和微藻的生物組合，可能是未來用于修復海洋環境的新策略。然而，不同的微生物分類群具有不同的代謝要求，并且在石油烴的生物降解中表現出不同的效率，這也可能因烴的化學結構和生物利用度以及環境條件而有很大差異。

未來的研究應致力于了解微生物類群之間潛在的協同相互作用，并評估它們在原位和異位生物修復應用后去除碳氫化合物的潛力。

同時還應考慮環境基質中存在的其他類型污染物，例如重金屬等。事實上，生物降解策略可能會導致重金屬的流動性和生物利用度發生重大變化，反而可能會增加環境風險。因此，應進行準確的風險分析以評估生物處理的背景影響，特別是對于以混合化學污染（有機+無機污染物）為特征的海洋沉積物。

從塑料到塑料的循環

塑料污染已成為一個全球性的威脅，PlasticsEurope網站2020年發布的數據顯示，全球塑料生產規模在過去六年中增長了21%，2019年達到3.68億噸。當前對塑料廢棄物的處理方式主要有3種：填埋、焚燒或回收處理。

得益于自然演化，一些微生物進化出了降解塑料的酶，這些微生物或者酶成為了生物法降解塑料的關鍵。生物降解指通過微生物作用將底物分解轉化，由需氧微生物完全轉化為二氧化碳、水、礦物質和生物質，或者在厭氧性生物作用下轉化為二氧化碳、甲烷和腐殖質等。

合成生物學助力廢棄塑料資源生物解聚與升級再造，合成生物學

這類微生物一般會出現在塑料垃圾聚集的地方，2016年，日本科學家吉田茂人從大阪一個瓶子回收工廠的污泥中，發現了具有分解PET塑料能力的細菌I. sakaiensis 201-F6，能在30攝氏度的反應條件下，用6周時間完全降解低結晶度PET薄膜，是目前已知對PET降解效果最好的一株細菌。

此后科學家們陸續從垃圾處理場、廢舊油田等地方發現了具有降解不同種類塑料的微生物或酶。目前針對市場上的大量常用的塑料種類（PET、PE、PVC、PP、PS和PUR），科學家都找出了可將其一一降解的微生物 。

水解型塑料解聚酶挖掘

但天然微生物或酶的效率極低，塑料解聚酶元庫存在催化效率低、穩定性差、表達量低等問題，限制了塑料解聚酶的規模化生產與應用。在微生物降解一個PET塑料瓶的時間內，世界上可能也同時多出了10萬個廢瓶。

在合成生物學技術的加持下，利用理性設計、定向改造等蛋白質工程技術方法，為提高塑料解聚酶的活性、穩定性和特異性提供了新的解決方案。

目前來看，法國Carbios走在了PET塑料回收產業的最前端，雖然成立近十年，無一年盈利，全靠政府救濟，但在今年，其首個PET塑料回收工業示范工廠，也是世界首家示范工廠在法國克萊蒙費朗落地。示范工廠包括一個20立方米的解聚反應器，每個循環能夠處理2噸PET，相當于10萬個塑料瓶。

首個由廢塑料制造的PET瓶

早在今年6月，Carbios、歐萊雅、雀巢、百事可樂和三得利共同宣布，Carbios成功生產出世界上第一個以廢棄塑料為原料的食品級PET塑料瓶，Carbios為這些合作伙伴分別生產了樣瓶。Carbios也曾放出豪言，未來或許不需要生產新的PET塑料，現有的塑料已足夠支持循環使用。

Carbios研發團隊歷經2年時間從10萬種微生物中，篩選出了一種具有改造潛力的微生物。這種微生物是從秋天堆肥的葉子中發現的，其產生的水解酶可以分解葉子的葉膜，研究人員對其進行改造，最終獲得了一種高效的PET水解酶，并申請了專利。該酶可在16小時內分解97%的任何種類的PET塑料，比迄今為止任何生物塑料回收試驗的效率都高出1萬倍。

與Carbios類似，國內天津恩博華科技有限公司也有PET回收的專利技術，其核心的解聚酶是PET降解研究中最常用的角質酶，可將塑料制品降解為低聚物或單體，然后再將其回收利用。

昔日礦山廢料將成“寶藏”

生物冶金是一種使用微生物從低品相礦石或礦山廢料中提取金屬的過程，也被稱作微生物采礦。根據主要作用原理的不同，這一過程又包含生物浸出、生物氧化等。

簡單來說，生物浸出是指微生物將目標金屬轉化為可溶形式，其本質是礦石的分步氧化分解。比如銅等金屬通常存在于硫化礦物中，而部分微生物則特別擅長氧化硫化礦物，并釋放出銅離子。由于反應介質的酸性，銅離子可以保留在溶液中，然后通過電化學反應富集到電極上。

中南大學建立的硫化礦分步氧化模型

與之相對的，若是雜質被溶解，而目標金屬富集在固體中時，則稱之為生物氧化。其與生物浸出僅存在概念上的區別。除此之外，基于還原條件下用于紅土礦物挖掘的微生物也已進入應用場景。

基于微生物的冶金方法能夠有效提高收益，同時限制了傳統工藝中有毒化學品的使用。此外，還能夠減少二氧化碳排放并降低整個過程的碳足跡和水足跡。與此同時，生物采礦技術也可用于清理被污染的礦山，以及從工業殘渣和廢物中回收金屬。

銅礦、金礦是該領域中最重要的工業應用。全球范圍內通過生物浸出法提取的銅已達10%~15%；而生物氧化的黃金產量則約為5%。除了銅、金之外，生物冶金已擴展至鈷、鎳、鋅、鈾和稀土元素等。

早在20世紀50年代，基于氧化亞鐵硫桿菌的發現，生物冶金的概念被首次提出。自那以后的幾十年間，研究人員一直在進行嘗試，但卻進展緩慢。

部分原因是由于采礦公司不愿投入資金更新基礎設施，但更大的問題在于此前微生物提取金屬的時間成本過于漫長：傳統方法提取金屬需要數小時或數天，而微生物可能需要數周、數月甚至更長的時間。這對于將經濟收益視為首要標準的采礦業來說顯然是致命硬傷。

因此，通過微生物篩選、基因改造等技術加速采礦速度、提高收率一直是該領域發展的重點。

2002年，位于智利的全球第一銅礦企業Codelco成立合資公司BioSigma Sa，致力于研發并推進更快速、更高收率的生物冶金技術。其專有的微生物技術在2005年完成中試規模的試驗。

到了2010年左右，采礦業的心態發生了明顯轉變，全球多家知名礦業公司陸續表現出對于生物冶金的興趣。究其原因，高含量礦石資源的耗竭與日益昂貴的能源價格是主要推手。

英國威爾士班戈大學的微生物學家巴里·約翰遜曾表示，此前銅含量低于5%的礦石不值得開采。但現在，那些過去遺留下的含有0.4%或0.5%銅的采礦廢漿都成為了寶藏。

Reales展示食金屬細菌罐內溶解的釘子和螺絲

另一方面，能夠在常溫常壓下進行的生物冶金也對一眾“耗能巨戶”充滿致命吸引力：例如鎳的傳統提煉工藝需800攝氏度，而微生物冶金過程僅需30攝氏度。

2014年，Codelco正式宣布，開始大規模地使用生物冶金技術獲取產品。該公司表示，將首次使用其專有細菌以便從黃銅礦中提取銅，在此之前，標準的生物浸出法對于黃銅礦無能為力。

日前，智利科學家納塔克·雷亞雷斯通過一種提取的嗜鐵端勾螺旋菌，從而提高濕法冶金中的金屬回收率。

Talvivaara礦泄漏后研究人員采集水樣

經過兩年試驗，雷亞雷斯發現“饑餓”狀態下嗜鐵端勾螺旋菌分解金屬的速度顯著提高，其分解一根鐵釘的用時從最初的兩個月縮短為3天。此外，生物化學試驗顯示該菌對人類和生態環境無害，有望大批量用于提取銅類等金屬。

在我國，生物冶金也是長期化的發展項目。20世紀50年代同期，中南礦冶學院（現中南大學）何復熙教授成立了生物冶金實驗室。到了1997年和2001年，中南大學在江西德興銅礦和福建紫金山銅礦分別建成兩座千噸級以上的生物提銅堆浸廠。

近年來，隨著生物學技術的飛速發展，基因和基因組、宏基因組等技術越來越多被應用于生物冶金領域。尤其是基因組技術的應用，加速了對于該領域微生物的研究水平，采礦效率和使用范圍得到進一步拓展。

不僅是中南大學，山東大學生命科學學院的微生物技術國家重點實驗室，也在長期從事極端嗜酸性自養微生物分子研究并獲得多項專利。

需要注意的是，雖然生物冶金技術有效限制了有毒制劑，但也并不能完全避免采礦業可能造成的巨大環境污染。其副產物硫酸、目標金屬中間液等依然是致命的潛在污染源，需要受到嚴格監管。

2012年，歐洲最大的生物開采礦山Talvivaara Sotkamo發生廢液泄漏，該礦山經營公司Ahtium Plc已于2018年申請破產。

生物采礦是一個小眾市場，但隨著資源緊縮、環境壓力和法規的增加，越來越多的礦業公司正在積極地加入這一領域。