塑料是我们生活中最常见的材料之一，它是重要的有机合成高分子材料，通常用石油炼制的产品制成，一个非常残酷的事实是塑料的降解大概需要300年，而人类发明第一块塑料是在1862年，意味着什么？这意味着人类发明的第一块塑料想要降解完还需要150年。人们喜欢塑料的廉价与方便，但是，废弃塑料带来的“白色污染”也越来越严重。塑料有没有可能变成一种有利无害的材料呢？科学家们为此研发出了塑料的新品种“生物塑料”。
大家点外卖的时候会配送一些很脆的、稍微使点劲就容易断的刀和叉。这些刀叉也是微生物合成的，大家可能会觉得很神奇，这是怎么做的呢？玉米淀粉被微生物变成了乳酸，再经过适当的化工聚合，最终把它变成了我们想要的这种塑料，现在外卖里大量的刀叉都是拿微生物来制造的。
PHA：一种可食的塑料 由细菌合成的聚合物材料
从1994年回国至今，清华大学教授陈国强一直在研究生物塑料。不少微生物能生产一种塑料，叫PHA。PHA全名是聚羟基脂肪酸酯，是一种细菌合成的聚合物材料。
由此，陈国强所在的清华大学生命科学院合成与系统生物学中心，与山东一家企业展开PHA项目产学研合作。在该公司的展示厅里，展示了PHA粒料制成的各种终端产品：有刀叉勺等一次性塑料餐具，有彩色的3D打印线材，有薄薄的可降解农膜，有成卷的超市塑料袋，有可以做出衣物布料的电纺纤维……
与石油基塑料相比，这种生物塑料做出的产品有哪些好处？最大好处是绿色环保。
陈国强团队曾在清华大学校园里做过这么一个实验：学生们在校园里挖了一个坑，把PHA和聚乙烯两种塑料片埋到土里。半年后他们把塑料片挖出来，PHA塑料片已经千疮百孔、细菌在上面快乐地生长。再过一段时间PHA塑料片已完全找不到，而用做对照的聚乙烯塑料片完好无损，至少要花数百年的时间才能降解。
此外，生活中经常会看到动物因吞食塑料而死、植物因塑料添加剂的毒性而枯萎，这些塑料都是石油基塑料制品，如果换成PHA塑料就不会出现这种恶果。陈国强团队曾给刚断奶仔猪的饲料中添加PHA塑料颗粒，发现没有对猪仔的生长发育产生毒害作用。“PHA塑料是微生物脂肪，可以食用。”
不仅如此，陈国强团队还研究出一系列的PHA家族高端产品——PHBHHx和它的衍生物。由于具有很好的生物相容性和生物降解性，其医用价值被逐渐开发出来。它可以开发软骨修复材料、神经导管、人工食道等；它可以补脑，改善老年痴呆症状；它还能减少钙流失，其衍生物已成为针对航天员骨质疏松的候选口服药物，正在进行各种实验。
目前，PHA中的P4HB已经作为手术缝线，在美国批准进入了临床。
那么，为何PHA还是令普通百姓感到陌生，并没有大规模进入他们的日常生活呢？
原来，作为医疗类产品的应用，因涉及人体健康安全，需要长时间的审批和实验周期。而作为工业类产品的应用，又受限于PHA传统制备方式的高昂成本，难以市场化。
“PHA生产成本高昂，价格远高于其他可降解材料。所以，尽管PHA力学性能优异，可100%完全降解，但在可降解材料市场中占有率仅为5%，远低于可降解材料PLA和PBAT。”陈国强说，现有生物制造技术无法使PHA制造成本降低到能与石油基材料竞争的水平，迫切需要发展新一代生物制造技术。“如果PHA通过下一代生物制造技术获得竞争性,其他生物塑料产品也可能通过该技术获得竞争性！”
嗜盐菌：一场神奇的改造 可解决现有生物制造技术4个短板
陈国强团队分析了PHA生物制造的成本结构，发现底物（原料）成本占50%、能耗占27%、下游生产成本占23%。他们决定从占成本比例最高的底物做起。“现有生物制造技术有很多缺点，比如大量耗淡水、高能耗、易染杂菌、设备投资大、使用大量农产品(4.810, 0.01, 0.21%)做原料、原料转化率低等。我们希望下一代生物技术解决这些难题，第一步就要找出符合需要的极端微生物底盘。”陈国强说。
现有技术中，很多微生物都可以生产PHA，但都需要耗费大量淡水。能不能用海水替代淡水进行生产呢？
陈国强想起小时候的经历。在海边长大的他，小时候皮肉受伤只要去海里洗洗，伤口很快就好了。因为绝大部分细菌没法在海水里存活下来，它们会被“咸”死。如果能在取之不竭的海水中找到一种可以快速生长的细菌来生产PHA，就可以同时解决掉4个短板：用海水代替淡水，不必大量消耗宝贵水资源；无灭菌发酵可降低生产成本；高盐高pH值不易染杂菌，可连续生产；无需高温灭菌，因而可以用廉价塑料等材料代替昂贵的不锈钢制作生物反应器。
自然界还真有一些细菌喜欢盐分，它们被称作“嗜盐细菌”。陈国强团队决定寻找最强的嗜盐菌，把目光瞄准了新疆的艾丁湖。艾丁湖是世界最酷热干燥的地区之一，盐浓度高达200克/升。在这里，他们筛选出两种嗜盐的野生菌：Halomonas TD和LS21。
“这两种野生菌都能在海水里快速生长，并产出生物塑料PHA。”陈国强介绍，研发团队依照降低成本的生产需求，对这两种野生菌进行了精准的基因改造。
为解决传统生产消耗大量农产品做原料的问题，他们重构Halomonas底盘细胞底物代谢途径，使之能利用多种底物。“简单地说，就是让它们不挑食，用玉米淀粉能生产PHA，用厨余垃圾也能生产PHA。”
陈国强说，这样的改造，让未来这种技术可以在设备小型化后进入家庭，将厨余垃圾制成塑料袋等生活用品。
为解决原料转化率低的问题，他们给Halomonas配置了血红蛋白细胞。“因为我有血红蛋白细胞，我的氧气利用率至少是细菌的700倍。给嗜盐菌配置血红蛋白细胞后，可以提高它对氧气的利用率，从而加速生长、降低能耗，提高底物转化率。”陈国强说。
传统方式制造的PHA反应过程慢、细胞太小、浓度低、回收困难。他们通过重编群体效应代谢通路增加了PHA产物浓度；通过可控诱导MinCD表达使底盘细胞从短杆状变为长纤维等手段，解决了传统技术中产物回收困难的问题；他们还把细菌生长方式从二等分变为多分裂，通过改变细菌分裂方式让反应过程加快。
改造成功的嗜盐菌奠定了下一代工业生物技术成功的基础。
“现代工业生物技术需要博士在实验室里进行复杂的无菌操作，而我理想中的下一代工业生物技术是文化水平一般者都能进行的简单开放操作。”陈国强说。
为实现这个理想，他们对PHA项目进行了工业化研发。投资建设了百盛蓝素生物科技有限公司，专注于PHA研发生产。2017年12月，用于PHA全生物基可降解材料生产的下一代工业生物技术完成了全技术链条中试实验，具备完全工业化条件。随后的目标是建设千吨级继而万吨级工业生产线。
不是简单的走通了工艺，而是完成了从PHA合成、产物纯化、高分子加工改性到产品化的全流程。该公司用中试生产线合成的PHA
制成了可生物降解的农用地膜，超市购物袋，快递和外卖的包装材料，甚至把PHA制成了纱线，进而纺成布料用以代替丝绸。
中试工艺流程图
陈国强表示：“下一代工业生物技术现在只是初步研制成功，我希望将它进一步发展完善，让生物塑料部分代替化学工业，提供大量材料、燃料、药品和其他衣食住行必需品。 希望以极端微生物合成生物学为基础的工业生物制造，可以克服现有生物制造的缺点，促进我国生物制造的全面升级换代，解决面临的生态、资源和可持续发展危机。”
很多人在做科研的时候都会关注一点，就是科技的创新性如何。但是陈国强团队更关注的一点是，科技这个东西怎么样更好的应用于我们的生活。因为我们生活中很多时候遇到的问题不仅仅是科学问题，作为科学家我们也不能关心的仅仅是科学，我们要综合运用金融、教育、人文、管理等各个方面的力量把它们综合在一起，为我们的未来创造一个更加绿色、智能、环保的世界。
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