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”

自2015年联合国可持续发展峰会召开以来，全球环境问题和如何实现可持续发展成为不可回避的话题。

少数有钱人忙着“上天”，而地上的大多数问题都要解决。除了科研人员在不断推动技术进步，解决问题也可能依赖于微生物的帮助。

自19世纪初以来，人们发现一些微生物可以利用自身的新陈代谢来消耗一些特殊的化学物质。但是它们通常效率很低，所以代谢工程被用来改善微生物的性能。20世纪90年代以来，通过代谢工程改造微生物细胞以实现特殊用途成为生物学研究的热点。

近年来，代谢工程通过与合成生物学相结合变得更加强大。基于合成生物学在设计和构建新的生物功能和系统方面的优势，与代谢工程相结合，开发具有多种功能的工程微生物，成为解决地球困境的有效帮手。

在应用方面，科学家不满足于简单的生物分子合成，合成生物技术逐渐进入能源、环境、重工业等领域。各种经过基因编辑和代谢的微生物都在试图解决原料收集和加工、废物处理以及衍生的环境污染问题。

南加州奥兰治县海岸风平浪静，一股黑色液体从海底缓缓飘向海面。这是该地区10年来“最严重”的漏油事故，原因是输油管道出现裂缝。这也造成约35平方公里的海面和部分海滩受到污染，严重影响了当地的生态环境。

在过去的几十年里，发生了多次重大石油泄漏事件，每次都造成了不可估量的环境和生态破坏。目前处理溢油的方法有打捞、物理屏障、化学分散剂等，但仍然无法阻止油中的化学成分向海洋深处漂移。基于微生物的生物修复方法因其生态相容性和低成本而受到越来越多的关注。

早在20世纪90年代，已经鉴定出许多能够分解油脂分子的微生物，包括细菌、真菌和微藻。

涉及不同微生物分类群的生物修复策略的一般方案涉及不同微生物类群的生物修复策略的总体方案

在海洋的不同深度，温度、光照、压力等物理因素是不同的，因此需要针对不同的生物降解方案设计不同类型的游离或沉积石油分子。

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不同氧化还原条件下海洋沉积物中烃类降解的代谢过程概念图

常见的细菌一般是γ变形菌，包括海洋螺旋体和气单胞菌。这些细菌的嗜盐特性也使它们表现出比陆生细菌更强的降解烃类的能力。

除了直接利用碳氢化合物，另一种策略是利用微生物产生表面活性剂化合物来提高污染环境的生物修复效率。

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不同海洋生态系统中的石油降解菌及其烃类专一性概述

限制碳氢化合物生物降解的因素之一是它们的疏水性，这导致它们的生物利用度差。表面活性剂具有两亲性，即亲水性和亲脂性，可以有效地将石油分子从海底污泥中分离出来，有助于提高微生物对烃类的生物利用率。

随着生物材料技术的发展，一种加速海洋生物修复的新方法诞生了。利用新材料作为微生物的载体，将微生物包裹在由海藻酸钙和壳聚糖组成的“胶囊”中，可以漂浮在被石油污染的海水上。这种“胶囊”具有纳米级的多孔结构，允许内外发生特定的分子交换，既保证了微生物在高污染海水中的长期生存，又能长时间进行碳氢化合物的降解过程。沿海海水中的现场中等规模实验表明，大多数石油烃(>: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的重点研究生物。设计细菌、真菌和微藻的生物组合可能是未来修复海洋环境的新策略。然而，不同的微生物类群具有不同的代谢需求，并在生物降解石油烃方面表现出不同的效率，这也可能因烃的化学结构和生物有效性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群之间潜在的协同作用，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的污染物，如重金属。事实上，生物降解策略可能导致重金属的流动性和生物有效性发生显著变化，从而增加环境风险。因此，应进行准确的风险分析，以评估生物处理的背景影响，特别是对以混合化学污染(有机+无机污染物)为特征的海洋沉积物。

塑料污染已经成为全球性威胁。PlasticsEurope网站2020年发布的数据显示，过去6年全球塑料生产规模增长了21%，2019年达到3.68亿吨。目前，处理塑料垃圾的方法主要有三种:填埋、焚烧或回收。

得益于自然进化，一些微生物进化出了降解塑料的酶，这些微生物或酶成为了塑料生物降解的关键。生物降解是指微生物对底物的分解和转化，被好氧微生物完全转化为二氧化碳、水、矿物质和生物质，或被厌氧生物完全转化为二氧化碳、甲烷和腐殖质。

合成生物学助力废弃塑料资源生物解聚与升级再造，合成生物学合成生物学有助于废塑料资源的生物解聚和升级

这种微生物通常出现在塑料垃圾聚集的地方。2016年，日本科学家吉田茂从大阪一家瓶子回收工厂的污泥中发现了具有分解PET塑料能力的细菌阪崎肠杆菌201-F6。它能在30摄氏度的反应条件下，在6周内完全降解低结晶度的PET薄膜，是目前已知降解PET最好的细菌。

此后，科学家们从垃圾处理场、废弃油田和其他地方发现了可以降解不同种类塑料的微生物或酶。目前，对于市场上大量的常用塑料(PET、PE、PVC、PP、PS、PUR)，科学家们已经找到了能够一一降解的微生物。

水解型塑料解聚酶挖掘挖掘水解塑料的解聚酶

然而，天然微生物或酶的效率极低，塑料解聚酶的催化效率低、稳定性差、库存表达量低等问题限制了塑料解聚酶的大规模生产和应用。在一个PET塑料瓶被微生物降解的时间里，世界上可能同时多出了10万个废瓶。

在合成生物学技术的加持下，通过合理设计、定向转化等蛋白质工程方法，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，法国Carbios公司走在PET塑料回收行业的前列。虽然成立近十年，没有一年盈利，全靠政府救济，但今年，其第一家PET塑料回收行业示范工厂，也是全球第一家示范工厂，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，每个周期可以处理2吨PET，相当于10万个塑料瓶。

早在今年6月，Carbios、欧莱雅、雀巢、百事和三得利联合宣布，Carbios成功生产出世界上第一个以废塑料为原料的食品级PET塑料瓶。Carbios分别为这些合作伙伴生产样品瓶。Carbios也曾表示，未来可能不需要生产新的PET塑料，现有的塑料足以支持回收。

Carbios研发团队历时两年，从10万种微生物中筛选出1种具有转化潜力的微生物。这种微生物是从秋天堆肥的叶子中发现的，它的水解酶可以分解叶子的叶膜。研究人员对其进行了改造，最终获得了一种高效的PET水解酶，并申请了专利。这种酶可以在16小时内分解97%的任何一种PET塑料，比迄今为止任何生物塑料回收试验的效率都高1万倍。

与Carbios类似，国内的天津恩博华科技有限公司也拥有宠物回收的专利技术。其核心解聚酶是PET降解研究中最常用的角质酶，可将塑料制品降解成低聚物或单体，然后回收利用。

然而，天然微生物或酶的效率极低，塑料解聚酶的催化效率低、稳定性差、库存表达量低等问题限制了塑料解聚酶的大规模生产和应用。在一个PET塑料瓶被微生物降解的时间里，世界上可能同时多出了10万个废瓶。

在合成生物学技术的加持下，通过合理设计、定向转化等蛋白质工程方法，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，法国Carbios公司走在PET塑料回收行业的前列。虽然成立近十年，没有一年盈利，全靠政府救济，但今年，其第一家PET塑料回收行业示范工厂，也是全球第一家示范工厂，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，每个周期可以处理2吨PET，相当于10万个塑料瓶。

早在今年6月，Carbios、欧莱雅、雀巢、百事和三得利联合宣布，Carbios成功生产出世界上第一个以废塑料为原料的食品级PET塑料瓶。Carbios分别为这些合作伙伴生产样品瓶。Carbios也曾表示，未来可能不需要生产新的PET塑料，现有的塑料足以支持回收。

Carbios研发团队历时两年，从10万种微生物中筛选出1种具有转化潜力的微生物。这种微生物是从秋天堆肥的叶子中发现的，它的水解酶可以分解叶子的叶膜。研究人员对其进行了改造，最终获得了一种高效的PET水解酶，并申请了专利。这种酶可以在16小时内分解97%的任何一种PET塑料，比迄今为止任何生物塑料回收试验的效率都高1万倍。

与Carbios类似，国内的天津恩博华科技有限公司也拥有宠物回收的专利技术。其核心解聚酶是PET降解研究中最常用的角质酶，可将塑料制品降解成低聚物或单体，然后回收利用。

生物冶金是利用微生物从低品位矿石或矿山废弃物中提取金属的过程，也称为微生物采矿。根据主要作用原理的不同，该过程包括生物浸出、生物氧化等。

简单来说，生物浸出是指通过微生物将目标金属转化为可溶形式，其本质是矿石的逐步氧化分解。例如，铜等金属通常存在于硫化物矿物中，而一些微生物特别擅长氧化硫化物矿物并释放铜离子。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在电极上。

中南大学建立的硫化矿分步氧化模型中南大学建立的硫化矿分步氧化模型

反之，如果杂质溶解，目标金属富集在固体中，则称为生物氧化。它只是在概念上不同于生物沥滤。此外，基于还原条件用于红土矿开采的微生物也进入了应用场景。

基于微生物的冶金方法可以有效增加利润，同时限制传统工艺中有毒化学物质的使用。此外，还可以减少二氧化碳的排放，减少整个过程的碳足迹和水足迹。与此同时，生物采矿技术也可以用来清理被污染的矿山，并从工业残留物和废物中回收金属。

铜矿和金矿是这一领域最重要的工业应用。在世界范围内，10% ~ 15%的铜是通过生物浸出提取的。生物氧化法的金产率约为5%。除了铜和金，生物冶金已经扩展到钴、镍、锌、铀和稀土元素。

早在20世纪50年代，基于氧化亚铁硫杆菌的发现，首次提出了生物冶金的概念。此后，研究人员进行了几十年的尝试，但进展缓慢。

部分原因是矿业公司不愿投入资金更新基础设施，但更大的问题是之前微生物提取金属的时间成本太长: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、数月甚至更长时间。这对于以经济回报为首要标准的矿业来说，显然是一个致命伤。

因此，通过微生物筛选、基因改造等技术来加快开采速度、提高产量一直是该领域的发展重点。

2002年，位于智利的世界第一铜矿公司Codelco成立了合资公司BioSigma Sa，致力于研发更快、产量更高的生物冶金技术。其专有的微生物技术在2005年完成了中试规模的测试。

到了2010年，矿业的心态发生了明显的变化，全球很多知名矿业公司都表现出了对生物冶金的兴趣。究其原因，高含量矿石资源的枯竭和日益昂贵的能源价格是主要驱动力。

英国班戈大学微生物学家巴里·约翰逊(Barry Johnson)曾表示，铜含量低于5%的矿石不值得开采。但现在，过去遗留下来的含铜0.4%或0.5%的采矿废浆，却成了宝。

另一方面，可以在常温常压下进行的生物冶金对很多“耗能户”也充满了致命的吸引力:比如镍的传统提炼过程需要800摄氏度，而微生物冶金过程只需要30摄氏度。

2014年，Codelco正式宣布开始利用生物冶金技术大规模获取产品。该公司表示，将首次使用其专有细菌从黄铜矿中提取铜。在此之前，标准的生物浸出方法对黄铜矿无能为力。

Reales展示食金属细菌罐内溶解的钉子和螺丝Reales展示了溶解在侵蚀金属的细菌槽中的钉子和螺丝钉

日前，智利科学家Natak Reales利用一种提取的嗜铁钩端螺旋体来提高湿法冶金中的金属回收率。

经过两年的实验，Reales发现，嗜铁钩端螺旋体在“饥饿”状态下分解金属的速度显著提高，分解一枚指甲的时间从最初的两个月缩短到三天。此外，生化试验表明，这种细菌对人类和生态环境无害，有望用于大量提取铜等金属。

在中国，生物冶金也是一个长期发展的项目。20世纪50年代同期，中南矿冶学院(现为中南大学)的何福喜教授建立了生物冶金实验室。到1997年和2001年，中南大学分别在江西德兴铜矿和福建紫金山铜矿建设了两座千吨级以上的堆浸厂。

近年来，随着生物技术的快速发展，越来越多的基因、基因组、宏基因组等技术被应用于生物冶金领域。特别是基因组技术的应用，加速了微生物在该领域的研究水平，挖掘效率和应用范围进一步扩大。

Talvivaara矿泄漏后研究人员采集水样Talvivaara矿井泄漏后，研究人员收集水样。

不仅是中南大学微生物技术国家重点实验室和山东大学生命科学学院，还长期从事极端嗜酸自养微生物的分子研究并获得多项专利。

值得注意的是，虽然生物冶金技术可以有效限制毒剂，但它不能完全避免采矿业可能造成的巨大环境污染。其副产品硫酸、目标金属中间液等。仍然是致命的潜在污染源，需要严格监管。

2012年，欧洲最大的生物矿Talvivaara Sotkamo发生废液泄漏。矿山管理公司Ahtium Plc于2018年申请破产。

生物采矿是一个利基市场，但随着资源短缺、环境压力和法规的增加，越来越多的矿业公司积极加入这一领域。

(综合报道)(编辑/晓雯)