邱石正 李佳益 楊景辰 劉長(zhǎng)莉

（東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150040）

聚羥基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates，PHA）是一種由微生物合成的天然生物聚酯，在不利的生長(zhǎng)條件下作為碳源和能量存儲(chǔ)、氧化還原調(diào)節(jié)劑和冷凍保護(hù)劑維持細(xì)胞生存［1]。同時(shí)，由于其生物可降解性、生物相容性、熱塑性等優(yōu)良特性，PHA已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。雖然PHA的使用能夠有效地避免石化塑料對(duì)環(huán)境造成的危害，但這種環(huán)境友好的生物塑料成本過(guò)于高昂，限制了其未來(lái)發(fā)展的更多可能。目前，PHA的商業(yè)生產(chǎn)價(jià)格高達(dá)每千克2.2-5.0歐元，而聚丙烯塑料的價(jià)格僅為每千克1.0歐元［2]。微生物工業(yè)制品的生產(chǎn)成本主要取決于原料的價(jià)格、連續(xù)發(fā)酵過(guò)程的滅菌成本以及產(chǎn)品的產(chǎn)量與產(chǎn)率，為了使工業(yè)生物技術(shù)與化學(xué)工業(yè)具有相同的競(jìng)爭(zhēng)力，開(kāi)發(fā)低成本的生物加工技術(shù)具有重要意義。本文針對(duì)目前PHA生產(chǎn)面對(duì)的諸多問(wèn)題，結(jié)合課題組的一些研究成果和國(guó)內(nèi)外最新的研究進(jìn)展，綜合闡述低成本合成PHA的可行方法，并對(duì)今后PHA的研究前景加以展望。

PHA是具有多種化學(xué)結(jié)構(gòu)的脂肪族生物聚酯的統(tǒng)稱，其分子結(jié)構(gòu)通式如圖1所示。

圖1 PHA的分子結(jié)構(gòu)

式中，m為主鏈單體鏈長(zhǎng)，多為1-3；n表示聚合度，決定了分子量的大?。籖為側(cè)鏈，可以是多種烷基基團(tuán)。根據(jù)PHA單體的碳原子數(shù)，通常將其分為兩類：?jiǎn)误w含3-5個(gè)碳原子的為短鏈PHA（SCL-PHA），廣泛分布于古細(xì)菌以及革蘭氏陽(yáng)性和陰性細(xì)菌中［3-4]，一般具有較高的結(jié)晶度和耐熱性；單體含6個(gè)及以上碳原子的為中長(zhǎng)鏈PHA（MCL-PHA），大多存在于假單胞菌Pseudomonas中［5]，結(jié)晶度較低，具有良好的彈性。然而天然PHA的性能很難滿足人類的需要，所以通常會(huì)采用物理共聚的方式引入其他生產(chǎn)生活中需要的材料性能。例如，聚-3-羥基丁酸（PHB）是PHA均聚物的常見(jiàn)形式，其力學(xué)性能與傳統(tǒng)熱塑性塑料聚丙烯相似，但抗沖擊性較差，很容易折斷，且加熱溫度高于熔點(diǎn)10℃左右時(shí)就會(huì)降解，限制了它的應(yīng)用范圍。于是人們向PHB單體中加入少量MCL-PHA單體，大幅提高其韌性和彈性而不會(huì)過(guò)多地降低其熔點(diǎn)，得到聚羥基丁酸羥基己酸酯（PHBHHx）等一系列性能優(yōu)異的PHA共聚物。表1展示了不同種類PHA與塑料的物理性能對(duì)比。

1 PHA的分類及特性

表1 不同種類的PHA與塑料的物理性質(zhì)的比較

2 PHA的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

PHA不僅與人體組織細(xì)胞相容性良好，而且降解的產(chǎn)物都是機(jī)體本身具有的物質(zhì)，目前已經(jīng)應(yīng)用于靶向藥物釋放的載體、外科手術(shù)器材和植入性組織材料等［6]。藥物運(yùn)輸方面，天然PHA是惰性的，不具備靶向能力，需要人為地物理共聚或化學(xué)修飾改變其特性［7]。這樣，藥物就可以包埋在載體中或吸附在其表面，并在表面耦聯(lián)了特異性靶向分子的納米顆粒，以此來(lái)控制靶向藥物與細(xì)胞表面受體的識(shí)別和結(jié)合，避免了傳統(tǒng)材料可能的致癌風(fēng)險(xiǎn)［8]。不僅如此，外科手術(shù)使用的醫(yī)用縫合線也可以由PHA材料制作。理想的手術(shù)縫合線需要具有彈性、表面光滑、可抵抗細(xì)菌生長(zhǎng)并與組織細(xì)胞相容，3-羥基丁酸-3羥基己酸共聚物［P（3HB-co-3HHx）]等材料完全符合人們的預(yù)期［9]。而PHA材料制作的三維支架則為廣大的先天心臟瓣膜病患者帶來(lái)了福音，同時(shí)植入性的組織工程材料也在神經(jīng)導(dǎo)管、消化道、心血管及軟骨疾病等方面發(fā)揮了開(kāi)創(chuàng)性作用［10]。PHA三維支架可以支持細(xì)胞在損傷部位生長(zhǎng)，幫助其形成特定的組織，等到受損組織修復(fù)后再自行降解，幾乎不會(huì)產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)［11-12]。

2.2 工業(yè)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

PHA在工業(yè)領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力，先后有四代PHA產(chǎn)品陸續(xù)投入生產(chǎn)（PHB、PHBV、PHBHHx 和 P3HB4HB），產(chǎn)品主要包括包裝塑料、器具材料、服裝材料、噴涂材料和纖維等［13]。為了進(jìn)一步提高PHA的機(jī)械性能和熱性能，通常與納米材料或其他生物塑料如聚乳酸（Polylactide，polylactic acid，PLA）共聚。與生物基塑料相比，傳統(tǒng)包裝塑料在地表土壤的降解周期約為1-2個(gè)世紀(jì)，而PHA生產(chǎn)出的農(nóng)田地膜可以在富含微生物的土壤環(huán)境中被迅速降解，具有較高的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。不僅如此，PHA在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也發(fā)揮著重要作用：Thai等［13]通過(guò)投放高PHB濃度的飼料喂養(yǎng)羅氏沼蝦Macrobrachium rosenbergii發(fā)現(xiàn)，PHB可以改善甲殼類水生動(dòng)物的腸道菌群，抑制細(xì)菌性病原體從而提高幼蟲(chóng)的存活率［14]。

3 PHA的低成本合成

PHA的商品化發(fā)展一直受制于其高昂的生產(chǎn)成本，從PHB、PHBV、PHBHHx 到 P3HB4HB，研究者在提升PHA材料學(xué)性能的同時(shí)一直在為降低成本而努力。如果解決底物成本與滅菌成本過(guò)高、產(chǎn)率和性能較低的問(wèn)題，PHA完全有希望取代塑料。筆者認(rèn)為，降低PHA成本有兩種途經(jīng)：一是從PHA生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)分別找到低成本的方法；二是大幅提高PHA的產(chǎn)量，也就間接降低了PHA的單位生產(chǎn)成本。

3.1 低成本合成途徑的構(gòu)建

代謝途徑的構(gòu)建很大程度上依賴于不同菌種對(duì)不同碳源的利用能力。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)PHA的微生物更傾向于利用與PHA單體結(jié)構(gòu)相似或相關(guān)的碳源，這也就決定了除PHB以外，糖類為唯一碳源時(shí)很難天然合成其他類型的PHA。如果想要生產(chǎn)性能更加優(yōu)異的PHA共聚物，就不得不在生產(chǎn)過(guò)程中添加昂貴的第二種碳源。因此，通過(guò)重新構(gòu)建微生物的PHA合成途徑，使糖類作為唯一碳源成為可能。

PHBV是一種已經(jīng)廣泛應(yīng)用的第二代生物塑料產(chǎn)品，但成本仍然受制于不得不補(bǔ)充相關(guān)碳源（丙酸、戊酸等）來(lái)生產(chǎn)3HV單體的前體丙酰輔酶A。為解決這一問(wèn)題，Srirangan等［15]在大腸桿菌中構(gòu)建了不相關(guān)碳源（如葡萄糖、甘油等）直接合成P（3HB-co-3HV）的途徑，創(chuàng)新地利用睡美人變位酶操縱子（Sleeping beauty mutase，SBM）激活編碼誘導(dǎo)琥珀酰輔酶A轉(zhuǎn)化為丙酰輔酶A前體的酶；而Wang等［16]開(kāi)發(fā)了利用無(wú)關(guān)碳源生產(chǎn)PHBV的蘇氨酸合成途徑，過(guò)表達(dá)thrABC操縱子與蘇氨酸脫氫酶基因，甚至設(shè)計(jì)了檸檬酸途徑與蘇氨酸合成途徑的結(jié)合，均只使用葡萄糖為唯一碳源，最高使PHBV共聚物中的3HV單體部分含量提高到25.4 mol%。目前，幾乎所有的高性能PHA共聚物都實(shí)現(xiàn)了唯一碳源的廉價(jià)生產(chǎn)。

3.2 對(duì)菌種的改造

通過(guò)基因工程技術(shù)，對(duì)細(xì)菌進(jìn)行基因編輯，不僅可以大幅提高PHA的產(chǎn)量，還可能擁有其他多方面的優(yōu)勢(shì)，如提高微生物的抗逆性、增大菌體承載的PHA體積等。Tao等［17]通過(guò)CRISPRi技術(shù)抑制了編碼嗜鹽菌Halomonas speciesTD01分裂時(shí)ftsZ基因的表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)的延長(zhǎng)。與對(duì)照組相比，細(xì)胞長(zhǎng)度增加了20-70倍，大大增加了胞內(nèi)PHA的積累空間。為了進(jìn)一步節(jié)約細(xì)菌在運(yùn)動(dòng)上的消耗，Wang等［18]敲除了76個(gè)惡臭假單胞菌Pseudomonas putidaKT2442的關(guān)于鞭毛和菌毛合成及組裝的基因，得到的重組細(xì)菌顯示出諸多生理上的優(yōu)勢(shì)，如提高了細(xì)菌對(duì)氧化應(yīng)激的耐受性、增強(qiáng)了PHA的積累能力等［19]。此外，為了解決部分細(xì)菌能夠表達(dá)異源基因的啟動(dòng)子較少的問(wèn)題，Shen等［20]研究出一種基于Pporin構(gòu)建啟動(dòng)子庫(kù)的方法，在啟動(dòng)子核心區(qū)進(jìn)行飽和突變，顯著增加了啟動(dòng)子文庫(kù)的多樣性，適用于多種不同異源基因的轉(zhuǎn)錄。于是在嗜鹽菌H.bluephagenesisTDH4中構(gòu)建了含編碼4HB-CoA轉(zhuǎn)移酶的orfZ基因，由文庫(kù)中選擇的啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)，經(jīng)50 h生長(zhǎng)后，PHA占細(xì)胞干重80%以上，產(chǎn)率為1.59 g/L/h。

所以選擇優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)底盤菌進(jìn)行基因編輯是一個(gè)提高產(chǎn)量的可行辦法，可以彌補(bǔ)其在其他方面的不足。例如，大腸桿菌既不能合成也不能降解PHA，但由于其基因序列背景清晰、培養(yǎng)與操作簡(jiǎn)單、體內(nèi)又無(wú)可以使PHA降解的酶，成為實(shí)施基因改造的熱門底盤菌。研究者通常將其他高產(chǎn)菌種的關(guān)鍵操縱子如phaCAB等轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，再調(diào)節(jié)其生理狀態(tài)和代謝流，綜合提高PHA產(chǎn)量。表2展示了部分高產(chǎn)工程菌的類型和產(chǎn)量。

表2 部分高產(chǎn)工程菌的改造基因及其產(chǎn)率

3.3 底物成本

為微生物發(fā)酵提供了營(yíng)養(yǎng)的底物約占生產(chǎn)總成本的50%［24]，這就意味著精致的糖類和脂肪酸需要被廉價(jià)的底物所替換。碳源的選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是更加經(jīng)濟(jì)、可行和高效的，一些工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物是比較理想的選擇。

3.3.1 粗甘油 生物柴油的副產(chǎn)物——粗甘油越來(lái)越受到研究者們的青睞。僅以2015年為例，全球生物柴油的年產(chǎn)量就達(dá)2.91×107t。作為其主要衍生物，80%純度的粗甘油的價(jià)格僅為每噸44美元［25]。據(jù)此，Pan等［26]將粗甘油預(yù)處理后使用兩步法合成高附加值的1，3-丙二醇和PHA。第一步，厭氧發(fā)酵合成1，3-丙二醇；第二步，利用碳化棒狀桿菌Corynebacterium HydrocarbooxydansATCC 21767和大型芽孢桿菌Bacillus MegateriumDSM 90的混合菌群將厭氧發(fā)酵的副產(chǎn)物羧酸和剩余的甘油轉(zhuǎn)化為PHB。不過(guò)，粗甘油的預(yù)處理略微增加了成本。Mo?ejko-Ciesielska等［27]從活性污泥中篩選出一株氣單胞菌Aeromonasspp.，在48 h內(nèi)細(xì)胞于純甘油或粗甘油上的增加的細(xì)胞干重相同，所以無(wú)需提純甘油，大大節(jié)約了成本。而Volova等［28]在2018年的報(bào)道中已經(jīng)將甘油為底物的P（3HB）產(chǎn)量提高至85.8 g/L，但仍略低于糖類。

3.3.2 活性污泥 活性污泥是用于污水處理的微生物群落及其依附的有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)的總稱，因其中含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被認(rèn)為是合成PHA的理想底物。例如，棕櫚油是世界上生產(chǎn)量和消費(fèi)量最大的可食用植物油，每年棕櫚油廠廢水中大量的低質(zhì)量棕櫚油污泥（Sludge palm oil，SPO）有待再利用［29]。SPO的主要成分為長(zhǎng)鏈脂肪酸，非常適合用來(lái)制備 mcl-PHA［30]。Kang等［31]篩選出惡臭假單胞菌Pseudomonas putidaS12以SPO為唯一碳源分批補(bǔ)料發(fā)酵，提取出3.7 g/L的PHA，產(chǎn)率約為41%。Ward等［32]更是證明了假單胞菌Pseudomonas利用SPO與利用脂肪酸生產(chǎn)PHA的產(chǎn)率是相似的，避免了使用精致碳源，大大降低了底物成本。

3.3.3 木質(zhì)纖維素 工業(yè)木材殘?jiān)?、農(nóng)業(yè)廢料等廉價(jià)的木質(zhì)纖維素材料長(zhǎng)期得不到有效利用，是合成PHA的潛在碳源。但對(duì)于大多數(shù)天然纖維素材料來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)的致密性和異質(zhì)性阻礙了酶解的發(fā)生，使得預(yù)處理尤為重要。其中木質(zhì)素是一種廣泛存在于植物體中的含氧代苯丙醇的高聚物，需要被解聚和脫氧為單體，才可以被微生物代謝和利用。Kumar等［33]馴化了一株羅氏真養(yǎng)菌R. eutropha，能夠耐受水解產(chǎn)物中的苯甲酸鹽、苯酚和糠醛等抑制劑，通過(guò)協(xié)同代謝合成PHA，產(chǎn)量為11.1 g/L。而價(jià)格更低、水解條件更溫和的纖維素和半纖維素更適合作為碳源。以小麥秸稈為例，僅歐洲地區(qū)就年產(chǎn)近1×108t，采用蒸汽爆破或稀硫酸處理得到的水解產(chǎn)物主要為葡萄糖、木糖和阿拉伯糖［34]。Cesário等［35]在 2 L攪拌槽反應(yīng)器中分批補(bǔ)料發(fā)酵61 h后達(dá)到P（3HB）濃度的最大值105 g/L，是迄今為止在農(nóng)業(yè)廢棄物方面所達(dá)到的最高水平。

3.4 發(fā)酵工藝流程的改進(jìn)

如何使微生物保持在發(fā)酵的最佳條件是PHA工業(yè)化生產(chǎn)的困難之一：若PHA積累過(guò)早發(fā)生，則會(huì)降低產(chǎn)率；若PHA積累過(guò)慢，則可能將碳源浪費(fèi)在細(xì)菌生長(zhǎng)上。為進(jìn)一步提高其成本競(jìng)爭(zhēng)力，研究者改進(jìn)了發(fā)酵方式和流程，開(kāi)發(fā)了同時(shí)積累多種產(chǎn)品的新途徑。

3.4.1 聯(lián)合生產(chǎn) 在不影響細(xì)胞代謝平衡的條件下，能夠在合成PHA的同時(shí)積累多種其他產(chǎn)品具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。氨基酸、蛋白質(zhì)、醇、胞外聚合物等產(chǎn)品都可以與PHA聯(lián)合生產(chǎn)［36]。以其中一種具有高附加值的小分子L-色氨酸為例：L-色氨酸是一種人體必需氨基酸，可以治療糙皮病、營(yíng)養(yǎng)缺陷和用來(lái)誘導(dǎo)睡眠等。研究發(fā)現(xiàn)，PHB的生物合成可以改變細(xì)胞的代謝流和氧化還原狀態(tài)，提高L-色氨酸的產(chǎn)量。Gu等［37-38]通過(guò)在工程大腸桿菌GPT1020中表達(dá)含phaCAB操縱子基因的合成途徑來(lái)增強(qiáng)L-色氨酸的產(chǎn)生，得到14.4 g/L的色氨酸和9.7%的PHB（W/W）。聯(lián)合生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)在于可以最大限度地利用底物和細(xì)胞的代謝能力，卻也受到微生物遺傳特性和代謝能力的限制。如果可以進(jìn)一步優(yōu)化共生產(chǎn)的參數(shù)、提高上述高經(jīng)濟(jì)價(jià)值產(chǎn)品的收率，這種一舉多得的聯(lián)合生產(chǎn)方式將有望取代單一產(chǎn)品的傳統(tǒng)發(fā)酵模式，成為PHA低成本生產(chǎn)的有力途徑［39]。

3.4.2 分批補(bǔ)料和連續(xù)發(fā)酵 分批補(bǔ)料發(fā)酵可以解除產(chǎn)物對(duì)發(fā)酵的抑制，減少消耗在菌體生長(zhǎng)上的成本。據(jù)有關(guān)研究顯示，生產(chǎn)PHA的最佳碳氮比為32-45，所以 Norhafini等［40]通過(guò)開(kāi)始添加所有營(yíng)養(yǎng)使菌體快速生長(zhǎng)、隨后補(bǔ)加碳源限制氮源保持最佳碳氮比直到發(fā)酵結(jié)束，達(dá)到了大于50 g/L的聚合物積累量。與之相比，連續(xù)發(fā)酵會(huì)在添加底物的同時(shí)以相同速度流出產(chǎn)物，可以使細(xì)胞始終維持在最佳生產(chǎn)狀態(tài)。但是連續(xù)發(fā)酵高昂的成本并不符合我們的初衷：對(duì)底物利用率較低帶來(lái)的浪費(fèi)、連續(xù)滅菌和自動(dòng)化設(shè)備的成本都是目前難以解決的問(wèn)題。

3.4.3 藍(lán)水生物技術(shù) 為解決上述發(fā)酵過(guò)程中高昂的成本問(wèn)題，Yin和陳國(guó)強(qiáng)等［41]開(kāi)發(fā)出一種基于嗜鹽菌和海水的藍(lán)水生物技術(shù)，或是低成本連續(xù)發(fā)酵的成功嘗試。嗜鹽菌是一類生活在高鹽濃度環(huán)境下的微生物，其中嗜鹽單胞菌HalomonasTD01、Halomonas campaniensisLS21和嗜鹽古菌地中海富鹽菌Haloferax mediterranei等均已成功地應(yīng)用于PHA生產(chǎn)中。他們利用一些嗜鹽菌可以在高鹽高堿的條件下生長(zhǎng)而其他微生物會(huì)受到抑制的特性，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放式不滅菌的連續(xù)發(fā)酵：一方面避免了滅菌過(guò)程中帶來(lái)的諸多額外成本；另一方面使用海水作為高鹽濃度的培養(yǎng)基節(jié)約了寶貴的淡水資源。如果以嗜鹽菌為底盤菌進(jìn)行基因改造，進(jìn)一步降低底物成本，有望彌補(bǔ)其為數(shù)不多的劣勢(shì)，為PHA工業(yè)化生產(chǎn)帶來(lái)重大變革。

值得注意的是，藍(lán)藻Cyanobacteria以及海洋光合紫細(xì)菌Rhodovulum sulfidophilum等自養(yǎng)微生物均可以在海水中合成PHA，同樣具備藍(lán)水生物技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)［42-43]。藍(lán)藻等光營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌可以從陽(yáng)光中吸收能量，以CO2和乙酸鹽為底物的成本非常低廉。雖然藍(lán)藻的生產(chǎn)力非常低下，但這項(xiàng)研究無(wú)疑具有著重大意義，異養(yǎng)微生物產(chǎn)生PHB的成本約為2-5歐元/kg而藍(lán)藻在含有高碳、氮和磷的廢水中培養(yǎng)并通入工業(yè)煙氣中的二氧化碳，可以使成本降低到2 歐元 /kg［44]。

3.5 PHA產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及低成本化的預(yù)期效果

不可否認(rèn)的是，到目前為止，采用微生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的生物塑料對(duì)于化工生產(chǎn)來(lái)說(shuō)仍然不具備價(jià)格的優(yōu)勢(shì)。利用天然羅氏真養(yǎng)桿菌Ralstonia eutrophus生產(chǎn)PHA的價(jià)格高達(dá)16美元/kg，比聚苯乙烯塑料高出18倍［45]。通過(guò)工程大腸桿菌生產(chǎn)PHA可以將成本控制在4美元/kg左右，但仍需進(jìn)一步降低。成本控制進(jìn)入瓶頸的原因很大程度上與高昂的底物成本有關(guān)，糖類為底物生產(chǎn)PHA的轉(zhuǎn)化率最高僅為48%，再加上其他成本，PHA的售價(jià)將達(dá)到底物成本的10倍以上。根據(jù)已經(jīng)投產(chǎn)的公司數(shù)據(jù)來(lái)看，德國(guó)BASF公司和美國(guó)Cargill Dow公司傾向于使用淀粉為底物生產(chǎn)PHA。由于淀粉的價(jià)格（0.22美元/kg）低于葡萄糖的價(jià)格（0.49美元/kg），對(duì)于每年1×105t PHB的生產(chǎn)規(guī)模，成本將從4.91美元/kg降至3.72美元/kg［46]。隨著PHA共聚物的投產(chǎn)，PHB受到很大沖擊，Metabolix公司曾實(shí)現(xiàn)了60 t的PHB大規(guī)模發(fā)酵，使成本控制在2.2美元/kg，但最終仍不得不退出生物塑料領(lǐng)域。雖然PHA共聚物成本是聚乙烯的2-5倍，但性能遠(yuǎn)優(yōu)于PHB甚至聚烯烴塑料，可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)等高附加值領(lǐng)域。近年來(lái)，通過(guò)現(xiàn)代微生物工業(yè)技術(shù)將合成生物學(xué)和基因編輯技術(shù)整合起來(lái)，對(duì)PHA的合成途徑重新構(gòu)建，加之藍(lán)水生物技術(shù)的興起，PHA對(duì)于石化塑料不再保持價(jià)格上的劣勢(shì)不再是夢(mèng)想。表3展示了各種底物在最優(yōu)利用下的產(chǎn)品價(jià)格，不過(guò)由于當(dāng)時(shí)的貨幣價(jià)值與現(xiàn)在不同，不能簡(jiǎn)單加以比較。另外，雖然一些工農(nóng)業(yè)廢棄物價(jià)格較低，但較低的單位產(chǎn)率可能會(huì)造成PHA提取和下游加工的困難。

表3 不同底物生產(chǎn)PHA的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)［46]

4 結(jié)語(yǔ)

從PHA的發(fā)展史來(lái)看，PHB等天然PHA的生產(chǎn)歷史已達(dá)數(shù)十年之久，具有較為成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。但由于其高昂的成本和特殊性能的限制，PHB的前景并不被看好。PHBV作為對(duì)PHB的改進(jìn)，在添加了3HV單體后彈性有很大提高。而如今已經(jīng)廣泛使用的PHBHHx是新型的短鏈和中長(zhǎng)鏈PHA共聚物，與PHBV相比，具有更低的結(jié)晶度和更高的延展性，性能可以與聚乙烯塑料媲美，也能夠以脂肪酸為唯一碳源生產(chǎn)，只是價(jià)格對(duì)聚乙烯不具備競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著基因工程技術(shù)和合成生物學(xué)的不斷發(fā)展，通過(guò)人為改變菌株的代謝途徑和形態(tài)結(jié)構(gòu)，利用廉價(jià)的底物或工農(nóng)業(yè)廢棄物，開(kāi)發(fā)更為有效的生產(chǎn)工藝流程，使PHA的低成本合成成為可能。根據(jù)歐洲生物塑料協(xié)會(huì)（European Bioplastics）預(yù)測(cè)，全球生物塑料年產(chǎn)量將從2017年的2.05×106t增長(zhǎng)至2022年的2.44×106t。據(jù)此，隨著PHA生產(chǎn)成本的逐步降低，PHA取代部分傳統(tǒng)石化塑料的趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)。筆者認(rèn)為，今后PHA產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)可能會(huì)傾向于短鏈與幾種不同中長(zhǎng)鏈單體（HV、HHx、HD和HO等）的結(jié)合，形成三聚物甚至四聚物，隨著調(diào)整引入中長(zhǎng)鏈單體的種類、數(shù)量和比例等，結(jié)晶度、熔融溫度和機(jī)械性能會(huì)隨之改變，就可以根據(jù)人類需求來(lái)“制造”相應(yīng)的PHA。但值得注意的是，在根據(jù)需要構(gòu)建代謝途徑時(shí)，還應(yīng)從整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)角度分析PHA合成是否會(huì)影響其他重要的代謝途徑，盲目地基因編輯或改造代謝途徑手段并不可取。