細胞工廠有望為生物燃料打開一條綠色通道。
近日，諾和諾德基金會生物可持續(xù)性研究中心與美國耶魯大學在《自然—通訊》發(fā)布的一項研究表明，甘蔗在進行乙醇發(fā)酵時，淀粉乳桿菌能產(chǎn)生大量喂養(yǎng)酵母菌的乙醛，發(fā)酵產(chǎn)量預計可提高3%。研究人員建議，關(guān)注微生物群落的多樣性，對益生菌和有害細菌進行取舍，可以提高發(fā)酵的總產(chǎn)量和成本。
在中國科學院微生物研究所研究員張延平看來，微生物細胞工廠是生物煉制的核心，利用代謝工程與合成生物學技術(shù)創(chuàng)建高效的微生物細胞工廠，已經(jīng)展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。
不過，她在接受《中國科學報》采訪時坦言，“雖然高效利用微生物可以提高生物燃料產(chǎn)量，但由于生產(chǎn)成本高及補貼等優(yōu)惠政策的變化，很多企業(yè)對技術(shù)研發(fā)持續(xù)投入的熱情并不高。”
細胞工廠前景凸顯
“由于化石能源具有不可再生性及不合理使用會造成環(huán)境污染等特性，各國都在積極尋找可替代資源，其中生物質(zhì)最具潛力。”中國科學院過程工程研究所研究員王嵐說，“生物質(zhì)在地球上儲量巨大，可以通過化學、生物等方法轉(zhuǎn)化為燃料，這種生物燃料清潔無污染，在可再生能源中占據(jù)重要地位。”
據(jù)她介紹，生物燃料主要分為醇類燃料、發(fā)電、柴油和成型燃料四大類。醇類燃料中，燃料乙醇是最具代表性的生物質(zhì)產(chǎn)品。
在《自然—通訊》發(fā)表的這項研究中，研究人員仔細研究了甘蔗在進行乙醇發(fā)酵時，酵母菌和其他細菌的相互作用，并對微生物群落結(jié)構(gòu)的所有可能組合進行了重構(gòu)，這涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)中約80%的微生物群落多樣性，其中淀粉乳桿菌特別值得關(guān)注。
“這種細菌幾乎可充當益生菌，阻止有害細菌參與發(fā)酵過程。它以一種和酵母幾乎共生的方式生長，這對工業(yè)生產(chǎn)十分有益。”曾在諾和諾德生物可持續(xù)性研究中心攻讀博士學位的馬薩·利諾說。
近年來，張延平將目光轉(zhuǎn)向了燃料丁醇。“由于燃燒熱值和腐蝕性問題，燃料乙醇在汽油中添加量超過15%時，必須添加腐蝕抑制劑或?qū)Πl(fā)動機進行改造。我國現(xiàn)行標準是乙醇汽油中乙醇含量為10%左右。相比而言，丁醇在性能上與汽油更為接近，燃料丁醇可以100%用作車用燃油。”
為了獲得高產(chǎn)丁醇細胞工廠，張延平團隊以大宗有機溶劑和潛在生物燃料——正丁醇為目標產(chǎn)品，以大腸桿菌為底盤細胞，創(chuàng)建全染色體編輯的丁醇細胞工廠。經(jīng)過這種策略獲得的丁醇高產(chǎn)菌株可以達到產(chǎn)丁醇大腸桿菌最高水平，葡萄糖的得率也達到理論最大值的83%，超越了天然產(chǎn)丁醇梭菌。
“該菌株生產(chǎn)丁醇不需要添加任何抗生素和誘導劑，具有工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的潛力，但由于原料成本高，產(chǎn)業(yè)化進程仍然相對緩慢。”張延平表示。為此，她們進一步開發(fā)了同步高效代謝葡萄糖和木糖生產(chǎn)丁醇合成菌群，為進一步開發(fā)二代纖維素丁醇奠定了基礎(chǔ)。
改造微生物并非易事
“微生物菌種是制造生物燃料的核心，在漫長的進化過程中，微生物形成了非常精細的調(diào)控系統(tǒng)，想要改造它們并非易事。”張延平表示。
她告訴記者，微生物利用秸稈等生物質(zhì)為原料進行生物轉(zhuǎn)化，需要對原料進行預處理、水解等，轉(zhuǎn)化過程可能會產(chǎn)生很多雜質(zhì)，影響微生物的生長和代謝;轉(zhuǎn)化得到的混合糖如果不能被同時利用，就會導致浪費，提高成本;如果不能有效代謝，又會產(chǎn)生高營養(yǎng)的廢水。
“因此，要想將秸稈等木質(zhì)纖維素原料轉(zhuǎn)化成所需的目標產(chǎn)品，就需要將微生物的所有功能集成在一起，單靠某一種微生物是很難辦到的。”張延平團隊為此也提出了一些新的技術(shù)理念，如合成微生物組，將分工合作的不同微生物結(jié)合在一起，共同完成一項工作。
作為生物質(zhì)煉制工程北京市重點實驗室副主任，王嵐表示，首先，確定合適的酶靶點和代謝途徑進行修飾或替換并不容易，某些基因的插入或刪除可能會影響菌株其他基因的表達。其次，與自然進化的菌株相比，理性改造后的菌株可能還需要應(yīng)對菌株退化等問題。
但王嵐指出，生物燃料的商業(yè)化不可避免地需要人造微生物，其性狀現(xiàn)已優(yōu)于野生型和某些工程菌株，能夠改善某些生物燃料的生產(chǎn)經(jīng)濟性。將遺傳和代謝工程與合成生物學和系統(tǒng)生物學相結(jié)合，是建立生產(chǎn)生物燃料的細胞工廠的關(guān)鍵。
張延平表示，在生物燃料生產(chǎn)過程中對微生物進行改造，引入外源基因是必不可少的，但微生物在形成最終產(chǎn)品前會被分離，不會進入產(chǎn)品，因此產(chǎn)品純度高且安全。“在菌株改造和生物燃料生產(chǎn)過程中還要注意盡量減少使用抗生素等可能對環(huán)境產(chǎn)生不利影響的物質(zhì)。”
經(jīng)濟性仍是挑戰(zhàn)
多年來，王嵐團隊不斷嘗試將技術(shù)與市場接軌，她發(fā)現(xiàn)，在整個過程中，企業(yè)最關(guān)心的就是成本和利潤。“我國在利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化醇類燃料領(lǐng)域已達到世界先進水平，擁有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物轉(zhuǎn)化乙醇及高附加值副產(chǎn)品技術(shù)，目前存在的主要問題是工程性和經(jīng)濟性。”
張延平表示，目前我國燃料乙醇主要原料仍是玉米和甘蔗等，隨著玉米供需結(jié)構(gòu)的改變，未來以糧食為原料的燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在不確定性，因此，我國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)正逐步從淀粉和糖類乙醇，向2代纖維素燃料乙醇轉(zhuǎn)換。“一方面原料來源更廣，另一方面也維護了糧食安全”。
但她同時指出，我國2代纖維素燃料乙醇轉(zhuǎn)換技術(shù)與國外相比還存在一定差距，面臨原料收集難、生產(chǎn)成本高、受國際石油價格波動影響大等問題。
為進一步降低生產(chǎn)成本，王嵐在研究中發(fā)現(xiàn)，在生物燃料生產(chǎn)過程中融合化學催化和生物轉(zhuǎn)化，可以縮短反應(yīng)周期，提高效率。例如采用廉價的化學氧化劑復配于纖維素酶中進行協(xié)同降解，有望同時降低底物氧化的用酶成本。
“隨著基因工程和代謝工程的發(fā)展，通過人工篩選、誘變、馴化和改造，增加微生物的功能、提高代謝能力，進而提高產(chǎn)物的質(zhì)量和產(chǎn)量。”王嵐補充道。
激發(fā)內(nèi)生動力
為推動生物燃料市場化，國家出臺了一系列利好措施?！锻晟粕镔|(zhì)發(fā)電項目建設(shè)運行的實施方案》就明確指出，在現(xiàn)有中央補貼資金的基礎(chǔ)上，自2021年起，新納入補貼范圍的項目補貼資金由中央和地方共同承擔。
在王嵐看來，國家補貼不是推動生物燃料發(fā)展的長久之計，還應(yīng)從根本上調(diào)動企業(yè)、科研人員、農(nóng)戶等主體的內(nèi)生動力，根據(jù)不同地區(qū)的生物質(zhì)特點設(shè)計適合的實施方案，降低其生產(chǎn)成本，從國家推動轉(zhuǎn)為自發(fā)推動。
為此，她建議進一步降低生物燃料的市場準入門檻，讓更多市場主體參與競爭。此外，政策制定還應(yīng)適當放寬，過細的政策可能會限制企業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的更新。
張延平指出，生物燃料是一項涉及諸多不同研發(fā)方向的系統(tǒng)工程，而在此領(lǐng)域中，我國研究主體相對分散，技術(shù)集成存在一定難度，大多以科研項目為牽引。
對此，她建議，一方面科研人員要有“十年磨一劍”的研發(fā)精神，另一方面要整合現(xiàn)有資源，組建技術(shù)研發(fā)平臺，集中力量攻克生物燃料技術(shù)難題。此外，在合作中還應(yīng)明晰各方權(quán)責，加強知識產(chǎn)權(quán)保護。
對于生物燃料的發(fā)展，王嵐建議，要將工程概念引入工藝及設(shè)備開發(fā)，除了產(chǎn)量外，還應(yīng)考慮能耗、水耗、投資成本、操作成本、安全性等指標，綜合評價工藝;其次要對整個系統(tǒng)進行設(shè)計，實現(xiàn)全局最優(yōu)化。此外，生物燃料行業(yè)一定要注重增加產(chǎn)品附加值、延伸產(chǎn)業(yè)鏈，以增加企業(yè)利潤，未來生物質(zhì)能梯級綜合利用將是主要發(fā)展方向。
