光合蓝藻，治污and制塑
当前塑料污染已经成为了一个全球问题，人类迫切需要一种能够降解的材料来替代传统塑料。聚羟基丁酸酯（PHB）是一种能够自然降解的塑料，其当前的生产方法大都是通过细菌来生产，成本较高。这里介绍了通过蓝藻来生产PHB方法和挑战，它能否代替当前的PHB的细菌生产，进而解决全球的塑料污染问题呢？
01
研究背景
在过去的七年里，石油基塑料在汽车、家用电器、实验室仪器、食品包装和医疗设备中有着广泛的应用。塑料在家庭、工业、医疗保健等领域都发挥着至关重要的作用，已经成为人类文明不可或缺的一部分。尽管塑料在日常生活中有着大量的应用，但是其不可降解性，给环境带来了巨大的负担。因此，能大规模生产且廉价的，与合成塑料具有相似属性的，可降解的生物塑料就显得尤为迫切。聚羟基丁酸酯（PHB）是Lemoigne 在 1920 年代初期在细菌中发现的一种生物塑料，属于聚羟基链烷酸酯（PHA）家族。PHB被许多原核生物储存在体内，作为一种能量来源，而从活细胞中获得的PHB，是一种100%可降解的生物塑料，且其具有与石油基塑料相似的特性，使其可以成为石油基塑料的合适替代品。PHB在环保和医学领域都有着较为广泛的应用，如：PHB的支架和垫子可用于设计骨骼和血管移植物、软骨、心脏瓣膜、心血管织物、心包贴片等，PHB制作的支架术后无需移除，可在体内降解为单体被自动排出。PHB单体可用于合成医药、农用化学品和精细化学品，如抗生素、丙烯等的手性中间体。PHB酸水解产生的3-羟基丁酸甲酯也可用于能源工业因为它们可以用作燃料添加剂。基于 PHB 的吸附剂和水凝胶还具有从废水中去除有机污染物的能力。但由于当前PHB的生产成本过高，利用PHB制造日常包装材料还未实现。当前的PHB，都是通过细菌生产，但由细菌生产的PHB在经济上不可持续，它需要使用昂贵的糖作为底物（占总生产成本的30-40%），且需要不间断的氧气供应和过多的能量输入。因此需要低成本的生产方案作为替代。蓝藻是光合原核生物，可以在光合自养条件下使用 CO2 和阳光生产聚羟基链烷酸酯 (PHA)。其可以在小范围内繁殖，无需耕地。而且蓝藻可以利用废水中多余的氮、磷来生长和积累PHB，可以利用空气中的CO2作为碳源，无需添加额外的糖类，因此，高光合作用效率、在有限区域内生长的能力、养分较少并产生高生物量以及现代遗传修饰工具的可用性，使蓝藻成为商业 PHB 生产的绝佳候选者。
图1 蓝藻PHB合成途径示意图
02
生产策略
蓝藻合成PHB的优化策略，主要从培养基的成分、PHB生产途径的代谢改造、光生物反应器、生物质的回收和PHB的提取几个方面来介绍。
培养基的成分
蓝藻可以在不同的培养基中生长，如普林斯海姆培养基、BG11培养基、福格培养基等，在实验室中，通常使用BG11培养基进行实验。不同的蓝藻在不同的培养基中的PHB积累情况不同。聚球藻在氮磷限制条件下，分别可产生27%和55%的PHB、集胞藻在含0.1%的葡萄糖的BG11中先生长，随后在缺乏磷酸盐和醋酸盐的情况下，可以产生29%的PHB、发菜在补充1%葡萄糖和1%醋酸盐的缺磷培养基中可积累16.4%的PHB等。使用淡水工业化培养价格昂贵，不切实际，因此，可以使用优化的基于废水的培养基，来进行蓝藻的培养和PHB的生产，该策略有助于降低成本和环境保护。氮磷元素的限制可以提高PHB的产量。氮饥饿会激活转录因子NtcA和PII，从而增加NADPH的合成和PHB合成过程中酶的表达，促进PHB的合成。磷饥饿会使ATP减少，同时激活PHB操纵子，从而增加合成PHB基因的表达，使能量流向PHB的合成。醋酸盐可以充当PHB合成的诱导剂，细胞可以摄取乙酸并转化为乙酰CoA，增加PHB前体的积累。柠檬酸盐可以螯合镁离子，使6-磷酸果糖转化为6-磷酸葡萄糖，进入磷酸戊糖途径，促进NADPH的积累。
生产途径改造
优化PHB合成途径的基因以增加PHB的产量。PHB合成途径主要通过β-酮硫解酶、乙酰乙酰辅酶 A 还原酶和 PHB 合酶。在聚球藻中，利用真养产碱菌的PHB基因，可以使PHB的产量提高25%。除此之外，一些其他基因的表达，如磷酸转乙酰酶 (pta)、乙酰辅酶A水解酶 (ach) 和磷酸酮醇酶 (xfpk)等，可以提高胞内乙酰CoA的水平，如集胞藻中pta和ach的缺失，xfpk的过表达使PHB产量提高了12%。而从集胞藻中删除酶 ADP-葡萄糖焦磷酸化酶编码基因（agp基因），使PHB产量提高了18.6%。因此，光合微生物的改造为我们提供了新的可能性，通过利用 CO2 作为碳源，能够具有成本效益的商业规模生产PHB。
光生物反应器
蓝藻的光生物反应器通常由板、管、透明玻璃和塑料材料袋制成，可以防止水分的流失，有利于藻类培养，最佳光强度是细胞生长的主要要求。不同类型的 PBR具有不同的尺寸、形状和材料类型。管式、气泡柱、搅拌罐、袋式和平板 PBR 广泛用于蓝藻的大规模培养。在一项集胞藻的研究中，实验藻在玻璃夹套的1.5L光反应器中的生长速率比摇瓶提高了四倍，获得了16.4%的PHB产量。而在另一项研究中，聚球藻在2.7L的水夹套光反应器中获得了最大14.5%的PHB产量。因此，选择合适的光反应器可以进一步提高PHB的产量。
图2 培养蓝藻的光生物反应器。A搅拌罐，B平板培养器，C泡罩塔，D管状培养器，E袋状培养器
生物质的回收
下游生物质的回收是通过将大量蓝藻培养物浓缩成厚饼，当前使用的方法大都为过滤、絮凝、沉淀和浮选四种。总生产成本的20%-30%是来自于生物质的回收，因此规模化的生产需要经济，高效的回收手段。过滤是通过膜来分离生物质，是当前回收PHB最简单的方法，超滤和微滤法也都已经用于从培养基中收获微藻，过滤过程中的能量需求低于其他脱水策略，但是，随着过滤的进行，滤饼的形成会形成阻力，并降低通量，从而导致较高的成本。第二种办法是絮凝，通过壳聚糖类聚合物、阳离子盐来中和细胞表面电荷，但是化学试剂会改变细胞的生化成分，并增加污染的机会。自沉是利用蓝藻细胞的瞬时自沉淀，改变蓝藻细胞的形态会影响沉降的速率，且通过自沉分离生物质可以重复使用介质，降低成本。浮选是由于某些藻类的丝状形式和粘液的分泌，使其具有高絮凝率，絮凝物的形成会使细胞自身产生生物氢，然后通过细胞的自浮选来分离生物质。上述的四种方法，每种都有各自的局限性，因此，联合收集方法对于降低回收成本是十分必要的，工业规模的细胞回收需要使用合适的菌株或支持自动沉淀的多因素过程优化，以实现经济高效的回收。
PHB的提取
在提取PHB时，需要破坏细胞的细胞壁和细胞膜，但蓝藻细胞的细胞壁要比大多数革兰氏阴性菌更厚，更坚硬，因此，大都通过加入次氯酸盐、氯仿、二氯甲烷等卤化试剂来提取PHB。由于蓝藻含有色素，因此还需要甲醇来去除色素。由于大多数卤化试剂的高成本和毒性，所以在工业规模使用是不可行的。当前有两种较为环保的提取方式，一是通过乙酸和冷冻甲醇进行溶剂回收或通过碱性蛋白酶和SDS、EDTA等进行无溶剂回收。二是通过基因工程，让PHB与信号肽融合，使其分泌胞外。但这两种方法当前并不成熟，因此，能够获取高纯度、完整且对环境友好又经济的PHB提取方法仍是挑战。
03
总结
塑料废物的逐渐积累正在产生影响陆地和水生生物形式的环境问题，解决这个问题的唯一方法是可生物降解的塑料。通过蓝藻来生产PHB相对传统的细菌生产具有很多优势，但是同时也存在许多技术局限，因此，大规模PHB生产仍然是一个巨大的挑战，仍需要适当优化工艺参数、开发适合蓝藻大规模培养的系统以及具有成本效益、环保的回收策略。
供稿：刘津铭
编辑：李晓萌 张彤 徐娅
责任编辑：苏田源 崔志勇
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