餐厨垃圾合成生物降解材料获研究进展

近日，Metabolic Engineering发表了一项由微构工场与清华大学、工业生物催化教育部重点实验室、诺维信联合攻关有关餐厨废弃物资源化利用方面的研究进展。研究显示，通过对嗜盐菌的改造，已成功构建出一种微生物基因表达共同体，可以让嗜盐菌在质量不稳定、不可灭菌的餐厨废弃物水解物中生长，从而生产出PHB（PHA的一种），证明了用餐厨废弃物作为碳源替代部分葡萄糖(作为发酵底物或饲料) 生产生物降解材料的可行性。

据联合国粮食及农业组织数据显示，每年全球食物浪费量约为16亿吨，造成2.6 万亿美元的损失，其中包括约 7000 亿美元的环境成本，食物废弃物产生约33亿吨的碳排放量。如何对大量餐厨废弃物进行安全高效处理，实现环境效益、经济效益和社会效益最大化的资源化利用，是一个重要的课题。

(资料图)

目前，餐厨废弃物的处理方式主要依靠填埋与焚烧，少数利用厌氧消化、堆肥处理等技术来实现资源化利用。在双碳与循环经济的背景下，这些处理方式在碳排放和利用率等方面仍存在很大不足。

餐厨废弃物废弃物富含碳源，如果能用来替代葡萄糖和其他营养物质，将其转化为生产PHA等高附加值产品的资源，将不失为一种更优的解决方案。不仅可以降低生产成本，推动生物基材料产业发展，对于推进循环经济、构建绿色循环低碳的创新发展生态也有着积极的意义。

但是餐厨废弃物成分复杂，如果经过高温灭菌处理会发生美拉德反应，产生毒性影响细菌生长。微构工场的底盘细胞为嗜盐菌，基于下一代工业生物技术的嗜盐菌允许开放、无灭菌发酵，具有在餐厨废弃物水解物中生长的条件。然而研究团队又面临着另一个问题：餐厨废弃物水解物营养丰富，有利于细菌生长，却不利于PHB生产。

原因在于，细菌菌落会有参差不齐的基因表达情况，使得产物合成途径的基因表达水平产生巨大差异，微生物对目的产物的积累情况也就存在巨大差异；而巨大的群体差异性不利于获取最大产量的生物制品。

为此，研究团队开发了一种在环境不稳定和菌群差异情况下能够稳定表达产物合成途径中编码基因的方法，利用细菌必须表达ompW基因才能生存的特点，在其后面插入phaC基因、phaA基因、phaB基因，从而迫使细菌在转录ompW基因的同时实现phaCAB的高强度稳定表达，将PHB合成和细菌存活联系起来，由此构建了PHB的“共同体菌株”。

通过构建微生物基因表达共同体，成功地实现了使用餐厨废弃物水解物作为底物来生产PHB，称为H.bluephagenesis WZY278。利用ompW启动子共同转录ompW和phaCABcn实现了PHB合成途径的可靠表达，降低了修饰菌株对氮浓度和底物质量不稳定的敏感性，使H.bluephagenesis WZY278在营养丰富的环境中生长的PHB得到高积累。

为了进一步改善H.bhuephagenesis WZY278在餐厨水解物中的生长和PHB的积累，研究人员需要继续对WZY278菌株的生长条件进行优化。为避免餐厨水解物的不稳定成分造成的影响，研究人员首先在一个稳定的MM培养基中测试了不同的盐浓度、pH值和调节细胞内氧化还原状态。

研究发现，MM30培养基更适合H.bluephagenesis WZY278的生长和PHB的积累，低盐培养基中额外的尿素可以进一步增加细胞干重。从MM培养基结果推断，适当降低盐浓度和接近中性的pH值可能会进一步增加H.bluephagenesis WZY278的细胞干重和PHB的积累。通过反复的试验调整，最终结果表明，在细胞生长过程中，当pH值为7时，由phaC、phaA和phaB编码的PHB合成酶具有最佳活性，因此更有利于PHB的合成。

通过上述试验不断优化额外的盐浓度、pH值和浓缩过程，进一步提高了H.bluephagenesis WZY278在餐厨废物中的生产性能，使餐厨废弃物得到更好的利用。

研究人员表示，除餐厨废弃物，基于下一代工业生物技术体系的新一代嗜盐菌还可以利用不少废弃碳源进行生产，例如秸秆水解物、废甘油、糖蜜、乙酸等。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.ymben.2023.03.003