助力碳中和，这个吃废气的“劳模”行不行？
首先请大家回答个问题：石油、煤、天然气……除了做燃料，还有什么用？
答案：从石油和天然气中提取的数千种化学物质，影响着你的生活。它们组成了柏油马路、汽车的轮胎、塑料制品、衣物纤维、甚至是你使用的牙膏和护肤品……
可以说，这些来自化石能源的化学品给人类生活带来了巨大的便利，但传统石油化工行业也一直戴着“高耗能、高排放”的帽子，在各国纷纷提出碳中和路线图的今天，这个行业需要更多新的技术探索。
在2月21日Nature Biotechnology发表的一项工作中，来自美国西北大学和朗泽公司的生物工程师们开发了一个新的依赖微生物的负碳化学品生产过程：他们以工业废气CO2、CO和H2为原料，一种细菌为“工人”来生产重要化学品，甚至能实现负碳生产（生产过程反而会吸收碳，而不是排放碳）。
石化产物示意图
（图片来源：veer图库）
微生物如何生产石油化工产品？
也许你很难想像，石油化工产品，怎么能让微生物去生产呢？发酵出来一堆粘乎乎的大肠杆菌？但其实有一个非常常见的例子，那就是乙醇（也就是俗称的酒精）。
用石油化工生产的乙醇也叫工业酒精，乙醇含量一般为95%和99％。工业乙醇的生产常见原料是乙烯（来源于石油裂解后的产品），成本低，产量大，但是不能饮用。其中乙烯直接水化法过程，就是在加热、加压和有催化剂存在的条件下，是乙烯与水直接反应，生产乙醇。
而我们的老祖宗几千年前就学会了酿酒，粮食放一段时间后，就会发酵产生酒精。本质上，这是微生物代谢活动的产物。在微生物作用下，淀粉降解为小分子的糖类，然后在酵母体内经过一步步的反应（每一步的反应是经过特定酶的催化），最终生产出乙醇。
发酵罐示意图
（图片来源：veer图库）
目前，全世界每年的二氧化碳排放量大概是400亿吨，其中包含石油、煤碳及天然气在内的化石资源的利用贡献了排放量的86%，而化石资源的利用主要分为两类，一类是作为燃料，一类是作为化工原料。
化石燃料使用和化工行业共同的特点是过程都会释放大量二氧化碳，而短期之内还没办法将它们固定，为了从源头解决这样的问题，生物燃料和生物化工的研究领域应运而生：通过构建一些能够糖原料转化成能源和化工产品的微生物细胞工厂，之后将再将这些细胞工厂的培养放大到工业规模，也就是一个个巨大的发酵罐组成的“钢铁森林”里，让它们持续稳定的运行。
目前商业化运行的微生物细胞工厂大部分是依赖于糖原料，由于原料是可再生的，所以整个过程是一种近乎碳中性的生产过程。不过，需要指出的是，对于大气中已经过多的温室气体，这些过程是无能为力的。
给微生物换口粮：用废气替代玉米
当前生物化工行业糖原料主要来源于一些粮食作物，比如玉米。让微生物吃这个类型的原料会存在一些潜在的问题，比如可能会遭遇到与人争粮的隐忧；另外从过程经济的角度看，如果糖原料在原料成本中占主导地位，也会拉高过程的成本，从而阻碍生产方式的推广。
C1废气是指包含CO2和CO的工业废气，这些废气中往往也包含H2。C1废气对细胞工厂的一个优点是便宜，甚至使用这些原料的过程就是降低生产成本和减排的过程。
更便宜、更“低碳”的原料有了，那怎么用它们呢？一种是像利用CO2合成淀粉那样，人工从头设计出一条从CO2到终端产品淀粉的合成线路。另一种是寻找能“吃”它们的微生物，然后以这些微生物为出发点进行再创造，赋予这些微生物新的能力，确保它们能“吐”出来好东西。
上面提到的美国工程师选的是后一种。
比较幸运的是，一些自养的梭菌可以利用C1废气，废气中的CO和H2可以作为能源物质，CO和CO2也可以作为这些梭菌的碳源物质。之前生物工程师们已经赋予了这些微生物生产能力了，能够生产超过50多种人类所需的化学品、但是大部分都因为生产性能不好，难堪重用，只有一个产乙醇的梭菌细胞工厂能在工业化规模运行，每年能够利用废气产生超过90000吨的乙醇，可谓是微生物界的“劳模”了。
梭菌的显微照片
（来源：SCIENCE photo library）
这次，工程师们想让“劳模”更进一步。
“劳模”的再就业之路
一种技术或过程要想实质性的助力碳中和，必须要能大规模部署和发光发热。尽管产乙醇梭菌细胞工厂现在每年已经能将数万吨废气的C1气体再利用了，但考虑到社会对特定化学品的需求是一定的，如果想让产乙醇梭菌发挥更大的能量，就必须再给它开拓一些新的天地。
丙酮（acetone）和异丙醇(IPA)是两种非常重要的化工产品，前者是工业溶剂和丙烯酸玻璃和双酚A的前体。后者广泛用于制药、化妆品和个人护理产品，并可以作为溶剂和清洁剂。目前都只能由高耗能和排放的石油化工过程所产生，两者每年的全球市场超过600亿人民币。能不能用之前的梭菌“劳模”来生产的呢？
产乙醇梭菌这个“劳模”并不是一个很好改造的微生物，但是生物工程师通过一系列高级的合成生物学技术和工具大大的缩减了要进行改造的次数，整个过程经历了三个阶段。
“劳模”再就业的全过程
（来源：参考文献2）
从0到1：为了建立从C1气体到丙酮和异丙醇的生产线，他们首先在“明星菌株”大肠杆菌中测试了超过250种设计方案，最终经过筛选把最优的改造方案在产乙醇梭菌“劳模”身上进行了实施，成功赋予它们产丙酮和异丙醇的能力，与之前基于其它梭菌构建的最好的菌株相比产率提高了20多倍。
从1到10：一些组学手段和动力学模型的运用使得生物工程师们能对产乙醇梭菌“吃”进去的碳的去向有相对较为直观的了解，从而找到了一些可能会进一步提高生产丙酮和异丙醇能力的潜在改造靶点。而基于无细胞体系的“巨星修炼场”可以快速对这些潜在改造靶点进行初步的评估。最终根据这些认知进行的改造，又将“劳模”产丙酮和异丙醇的产率提高了大约27倍，同时还大幅提高了生产不同产物的选择性。
从10到……：将之前的改造在基因组层面稳定下来，工程师们又进一步提高了两个产物的产率和生产的选择性。最终在中试规模，120L的反应器中对最终版“劳模：的测试结果显示：产乙醇梭菌产丙酮和异丙醇的产率能达到大概3g/L/h，产不同产品的选择性达到90%。而整个生产过程稳定运行的时间也能达到三周，整个过程估算的产能达到每年4万多吨。
生产过程的碳足迹估算
传统和废碳生产丙酮及异丙醇的过程对比
（来源：参考文献1）
作者也对传统生产过程和这项工作所创造的新生产过程的碳足迹进行了估算。估算结果显示，传统的生产方式产丙酮和异丙醇的碳足迹分别为2.55和1.85 kgCO2e/kg（CO2-equivalent in 100-year global warming potential per kilogram of product），而新创造的生产过程的两个数字分别为-1.78kgCO2e/kg acetone和-1.17kgCO2e/kg IPA。
根据估算的结果，这个利用梭菌生产丙酮和异丙醇的新过程确实是一个实至名归的负碳生产过程，最终生成的化学品和菌体生物质则是负碳的体现形式。
梭菌的负碳生产潜力有多大？
面对新技术，所有人都会提出这样的问题：这种负碳生产过程能为碳中和贡献多大的力量？
这些工程师将产一种化学品的细胞工厂重构成产其它化工产品的细胞工厂，仅从这种改造过程来看，这项工作是可以被视作一个典范的。但是这项工作最后的落脚点只是在中试规模进行了测试，只能说是为了负碳生产化学品开了个好头，最终能不能真正被大规模应用、能在多大规模被应用，其实还要经历很多考验。
细菌们还能生产什么石化产品？可以滑动下图看看
药品、燃料、染料、洗护用品……
（图片来源：veer图库）
而对于更广义的代表碳中性或其它负碳生产过程的微生物细胞工厂，究竟对碳中和能起到多大的贡献？笔者想在此引述合成生物学领域著名学者Jay D. Keasling等人为该项工作撰写评论的一部分作为回答：
“将展望的眼光超越梭菌，如果所有的非燃料石化产品都是通过合成生物学方法生产，那么会减少多少排放呢？化学制造，不包括氨生产，每年在全球直接排放约5亿吨二氧化碳。尽管这只占全球温室气体排放量的不到2%，但化工制造业是石油和天然气的最大工业消费领域，也是二氧化碳排放量第三高的工业部门，仅次于水泥生产和钢铁工厂……，通过合成生物学方法创造一个循环的、甚至是净负的工业部门本身不会解决气候危机，但它可以解决一些全球经济中最难脱碳的部分，同时也能为梭菌和其它非模式生物在更可持续的未来发挥有意义的作用提供了希望。”
参考文献：
[1] Liew, F.E., Nogle, R., Abdalla, T. et al. Carbon-negative production of acetone and isopropanol by gas fermentation at industrial pilot scale. Nat Biotechnol (2022). https://doi.org/10.1038/s41587-021-01195-w
[2] Scown, C.D., Keasling, J.D. Sustainable manufacturing with synthetic biology. Nat Biotechnol (2022). https://doi.org/10.1038/s41587-022-01248-8
[3] 丁仲礼等，中国碳中和框架路线图，2021
策划：李辉 吕雪峰
作者信息：
李诗渊 鸿商资本
李辉 中国科学院青岛生物能源与过程研究所
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