与植物基塑料相比,工程微生物可以以更低的成本和更低的环境影响生产生物降

时间:2020-04-24 18:08 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

与植物基塑料相比,工程微生物可以以更低的成本和更低的环境影响生产生物降

如果你从屏幕上抬起头,环顾四周,几乎可以肯定,在你伸手可及的范围内会有一些合成塑料制成的东西(甚至可能是你穿的衣服)。人类制造塑料只有大约100年的历史,但自20世纪50年代以来,我们已经生产了大约8300万吨塑料,这大约相当于2.5万座帝国大厦的重量。而且,由于绝大多数塑料不能生物降解,那个世纪的塑料几乎都留在了地球上的某个地方,从鱼和海鸟的内脏到水中毒的垃圾填埋场,再到太平洋大垃圾带。即使我们看不见它们,微塑料现在也渗透到我们呼吸的空气中,并最终进入我们的肺部,它们对健康的影响尚不清楚。

塑料已经变得无处不在,因为它们比天然材料有很多优势:它们可以非常坚固但很轻,它们可以是挠性的或刚性的(或两者都有),它们是防水的,而且它们的制造和运输成本很低。使塑料如此坚固且用途广泛的秘密成分是碳氢化合物聚合物——由碳原子和氢原子串在一起的长链,它们的排列赋予了塑料那些宝贵的特性。添加其他元素的hydrocarbons-such氧,氮,和sulfur-creates不同类型的塑料最佳适合不同的任务,从精致的低密度聚乙烯(LDPE)用于制造塑料包装非常耐用的聚碳酸酯,比玻璃更强200倍。

从万灵药到问题

最早的塑料是在20世纪初由实业家发明的,他们用煤提炼过程中产生的副产品做实验,煤是一种富含碳氢化合物的化石燃料。当美国在1941年加入第二次世界大战时,由于自然资源迅速变得稀缺,对塑料的需求暴增。塑料被用于制造关键的战时用品,如降落伞、绳索、挡风玻璃和轮胎,军方需要大量的塑料来装备军队。塑料的需求是如此之大,以至于美国政府提供补贴,鼓励企业以更便宜、更容易获得的石油(另一种碳基化石燃料)而不是煤炭为基础,来建造制造工厂。

战争结束后,塑料生产商把他们的注意力转移到国内,吹捧塑料替代品比现有产品更卫生、更便宜、更现代。塑料开始在许多物品中取代传统材料,如汽水瓶、衣服和包装,并创造出全新的产品,如福米卡台面、特百惠和聚苯乙烯泡沫塑料。似乎生活的几乎每一个方面都注定要被塑化。然而,到了20世纪60年代,全球对塑料敞开怀抱的影响开始敲响警钟。人们开始注意到塑料垃圾被冲到海滩上,越来越多的证据表明,塑料产品中的化学添加剂对人类和环境都有害。

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尽管存在这些问题,更可持续的塑料替代品还没有成功地取代它。石油化工企业每年仍得到数百亿美元的政府补贴,这使得以石油为基础的塑料价格低廉,而目前从生物材料中提取的更环保的“生物塑料”在整个塑料市场中所占的比例不到1%。大多数生物塑料是通过发酵植物中的淀粉、糖和纤维素来生产乙醇或乳酸,然后提炼成用于制造塑料的化学原料。然而,扩大这一过程以满足世界目前的需求将需要如此多的土地来种植所需的植物,我们将破坏整个栖息地并威胁我们自己的粮食供应。

值得全世界庆幸的是,威斯研究所的科学家Shannon Nangle博士和Marika Ziesack博士正在研究这个问题,他们开发了一种可降解的廉价塑料,这种塑料完全不需要使用植物,碳足迹也可以忽略不计:微生物。

满足微生物

虽然我们大多数人认为细菌是“错误”,要么是“好”(那些生活在我们的肠道)或“坏”(那些引起感染),得到和Ziesack看到他们的小工厂,可以设计生产聚合物塑料积木更容易比从石油提炼他们或植物和可持续。

“和所有生物一样,细菌需要吸收食物,从中提取能量和营养,排泄废物才能生存。细菌很容易生长和控制,所以科学家们已经研究它们的内部工作很长时间了,我们现在可以通过基因和代谢来改变它们的饮食和生产方式。”

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她和南格尔从2017年起就一直在试验基于微生物的塑料,当时他们受到了仿生叶子项目的启发,这个项目是他们的导师、Wyss Core的教员帕梅拉·西尔弗博士共同创建的。他们仔细研究了一种叫做Cupriavidus necator的特殊微生物,这种微生物吸收氢气和二氧化碳气体,并利用一种叫做气体发酵的过程把它们转化成必需的分子。这种微生物产生的其中一种化合物是一种叫做PHB的聚合物,一种它用作能量储存形式的聚酯。PHB plastics-it本身并不是一个伟大的聚合物是非常脆弱的,但是很难制造对象Ziesack已经找到一种方法来调整和Nangle微生物的新陈代谢,产生类似的聚酯叫PHA相反,更灵活,已经被调查作为一种可生物降解的塑料替代。

“可生物降解聚苯乙烯并不是一个新想法,但到目前为止,还没有人能够以足够低的成本生产出可以与石油基聚酯相媲美的聚苯乙烯。我们的微生物可以极大地降低生产这些聚合物的价格,因为我们给它们提供气体,而不是昂贵的前体化合物,而且我们避免了工业化农业的所有经济和环境成本,这些成本被计入植物基生物塑料的价格,”Nangle说。

虽然像PHA这样的聚酯只是目前许多用于不同塑料的聚合物中的一种,但Nangle和Ziesack认为,通过正确的工程设计,他们的系统可以生产出具有不同性能的聚酯,以模仿其他类型的聚合物。齐萨克说:“有机磷酸酯的美妙之处在于,它们可以被广泛地修改。因此,如果我们能扩大微生物所能产生化合物的范围,我们就能创造出与其他石化产品具有相同特性的材料,尽管它们的化学结构不同。”

到现实世界,甚至更远

鼓励他们的成功在实验室和项目的潜力来帮助解决全球“塑料问题,”Ziesack和得到一个研究所的项目提交申请他们的项目,现在叫赛丝,和已经处理工业、投资和业务发展伙伴在技术上进一步推进他们的技术和商业最大化短期商业上的成功。虽然让他们的系统在实验室工作是一个重大的科学挑战,但让它走出实验室进入生产设施是一套完全不同的障碍,他们正在一步一步地克服这些障碍。

与植物基塑料相比,工程微生物可以以更低的成本和更低的环境影响生产生物降

“我们想创造一个商业计划的系统实际上是完全可持续从头到尾,我们思考和计划在产品生命周期的每个阶段,当完成一个消费者使用它,它会照顾自己(降解),“南说。“要让投资者相信学术实验室规模的实验在商业上是可行的,可能会有些棘手。而作为一个研究所项目获得支持,对于让我们证明这个系统可以在现实世界中发挥作用、产生切实影响至关重要。”

Circe的创始者甚至计划如何将他们的微生物用于“真实世界”以外的地方,比如那些既没有化石燃料也没有植物的地方,比如外太空。总有一天,这些微生物会被运送到其他星球上的人类居住区,在那里它们可以被用来制造从建筑材料到食物的一切东西,并支持我们人类探索其他世界。

“我们真的还不知道这项技术的极限是什么,因为大规模利用微生物制造塑料只是最近才被开发和实施。”但是我们决心把这个项目进行到底,如果有一天这意味着火星,那将是惊人的,”齐萨克说。

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