气候友好材料的奇妙之旅

《联合国气候变化框架公约》缔约方会议第27届会议（COP27）召开前夕，一座“垃圾金字塔”在开罗郊外的西部沙漠矗立起来，这座巨大的建筑耗时五天建造，重达十八吨，比三层楼还高，用的材料相当于100万个从尼罗河收集的塑料水瓶和垃圾，旨在让人们关注到塑料的危害。

对于普通人而言，一只用光的洗发水瓶、一套吃完的一次性饭盒，随手丢进垃圾桶，它们就已消失。但事实上并非如此，数据显示，全球仅有9%的塑料垃圾被回收，其余部分被丢弃入自然环境，塑料因此被称为“白色污染”。

我们被塑料垃圾包围着——我们吸入的空气、饮用的水、食用的鱼类，珠穆朗玛峰冰川冰层，处处都有塑料微小颗粒的身影。

包括塑料在内，材料遍及大众生活的方方面面，它们从生产、使用到被抛弃，整个生命周期的每个环节都可能伴随着二氧化碳的排放，如不妥善回收或处置，在太阳光的辐射下，被丢弃的塑料垃圾在空气或水中产生温室气体，影响着全球气候的变化。为此，正有人在默默努力，悄悄改变着这一切。

在合肥，安徽华恒生物科技股份有限公司研究院副院长陈璐正带领团队利用合成生物学技术开发高附加值生物基产品，而其中很多产品可作为新型绿色原料广泛应用于动植物营养、个人日化护理、中间体以及功能食品等领域；在上海，彤程新材料集团股份有限公司高级研发工程师吴开建正忙着田埂实验，土壤下面藏着的正是他们最近研发的新型可生物降解薄膜。

陈璐和吴开建在各自的实验室里做研究

看似不同，但他们都在为保护气候而行动。他们一位是思考如何让材料用更加绿色低碳的方式被创造出来；一位是思考如何能通过预先的设计让使用过的材料落叶归根，在大自然中消失得无影无踪。

材料的神奇“合成术”

说起零卡糖，人们都知道它是健康的代名词，但其背后依赖的“合成生物学”少有人知。

不过在今年，这个陌生的词语频频走进大众视野，不论是拜登签署的美国《国家生物技术和生物制造计划》，要投入超20亿美元以加强美国生物制造供应链；还是中国《“十四五”生物经济发展规划》中反复出现的合成生物学概念。

对于合成生物学的爆火，华恒生物研究院副院长陈璐并不意外，他常跟朋友举一个例子：地球与太阳的距离大概是1.5万亿公里，如果按光速计算，光子从太阳表面传播到地球需要历经500秒，也就是此刻接触的太阳光是500秒前发出的——“正是因为3-5年前大家的努力，才让我们现在看到合成生物学的曙光。”

2010年，陈璐考入清华大学时，他毅然选择了在清华大学生命科学学院学习，并在清华大学深圳研究生院从事海洋微生物方向研究。2013年毕业前夕通过欧盟合作项目，机缘巧合之下去到北欧读博，接触到了合成生物学。“合成生物学更像一个汇聚学科，真正把高技术难度、高工艺成本的生物技术研发变成一个研发思路更富想象力、研究内容更具多样性的学科，我们希望用工程学的思维去生产高附加值分子，这个领域生机无限。”

真正吸引着陈璐的是，合成生物学天然就有绿色的成分——从技术角度而言，它不仅不排放二氧化碳，还可以吸收利用二氧化碳。他认为，与其说碳中和促进合成生物学发展，不如说合成生物学天然为碳中和而生。

归国后，陈璐投身国内合成生物学制造产业，国内合成生物领跑者——华恒生物“以可再生生物资源替代不可再生石化资源，以绿色清洁的生物制造工艺替代高能耗高污染的传统工艺”的发展路径，与陈璐的研究方向深度契合，吸引着其加入其中。如今他不仅负责公司上游合成生物学分子开发的工作，还涉及未来合成生物学的战略筹划。

陈璐带领团队利用合成生物学制备丙氨酸

虽然看不到，但是合成生物学无处不在，悄悄改变着我们的生活。丙氨酸是华恒生物的明星产品，它是一种基础原料，从中延伸出的L-丙氨酸可以作为螯合剂、表面活性剂，是洗涤剂的主要成分。通过与巴斯夫合作，华恒生物提供原料，巴斯夫生产下游中间产品。

合成生物学前景广泛，医药、农业、美妆、洗护多个场景都有它的身影。当前L-丙氨酸的周边产品DL-丙氨酸、β-丙氨酸的使用场景也广泛起来，β-丙氨酸可以添加在运动饮料中，起到增强肌肉质量的作用，受到健身爱好者的喜爱。

如今，新产品的研发周期越来越短，陈璐介绍，L-丙氨酸产品从技术到生产周期是三年，缬氨酸系列产品大概耗时一年多，而最近的产品研发周期已经缩短到半年左右。“这是合成生物学带来的魅力，我们一直认为合成生物学可以改变生产力。”

“造物致用”一词被陈璐反复提到，这句话在合成生物学界举足轻重，它来源于物理学家费曼说过的：“一个东西，我如果不能制造出来，那我大概率是不了解它。”

但如何制造也至关重要，实现绿色低碳甚至零碳始终是陈璐及华恒生物整个科研团队的目标。生物制造现有的两大路径是全细胞发酵法与酶转化法，华恒的发酵法利用微生物为底盘细胞，在对现有细胞物质和能量代谢认知的基础上，对基因组进行改造，以此高效生产生物基分子。陈璐介绍，华恒生物丙氨酸技术使用的发酵法可以采用厌氧发酵的形式，全过程不仅不排放二氧化碳，其产生的发酵母液还可以用作肥料，实现了全生命周期绿色高效利用。从成本角度，发酵法也已完全替代化工路线。

采用厌氧技术，不排放二氧化碳（华恒生物供图）

2021年10月，由巴斯夫发起，携手华恒生物在内的多家企业共同创建的“可持续发展共建联盟”，旨在聚拢产业链合作方，推动关键行业低碳发展，推广循环经济，助力国家双碳目标的实现。

华恒生物也作为先行者参与了巴斯夫全球的供应商碳管理项目，对巴斯夫所采购的产品完成了全生命周期的碳足迹审计，未来双方还将进一步探讨和开发更多生物基原材料的下游应用。

“现代工业社会带来的文明，其实大部分都是化学工业带来的，我们随处可见的东西都可以说来源于石油，有石油我们才可以有衣服、手表、计算机等等。”陈璐说，并不是所有东西都适合用合成生物学方式制造，但拥有合成生物学之后，可以突破很多原有瓶颈，生产出资源消耗更少、成本更低、更加低碳绿色的产品。

“有数据表明，大概5-10年之内，15%-30%的原有化工品可以被生物基或者生物工程取代，这个取代量其实是非常大的，如果放眼未来15年、20年，这个量会越来越大。”陈璐眼里充满期待，他坚定认为“未来一定是充满绿色生产愿景的时代”。

来到华恒生物之后，陈璐时常记起华恒生物董事长兼总经理郭恒华跟他说过的一句话，“要相信相信的力量”，他感觉，在未来合成生物学的光芒会远比现在更加强烈，“华恒生物一直坚定开发可持续性技术，希望用合成生物学为社会带来更多价值”。

“为气候而变”系列视频之合成生物

材料的神秘“消失术”

从本科，到硕博，再到工作，在上海生活14年的江西人吴开建对大海有着特殊的情感。

从小成长在内陆城市的他很少能看见海，直到大学修读化学专业，才因为做实验常常去到海边。闲暇时，他喜欢在海边漫步，但海边的景象却让他揪心——一次次拍打在海岸上的除了汪洋碧波，还有不少白色垃圾。看到沙滩中埋着的塑料袋，他总不由自主地想，“如何能让它们自然而然地消失？”

怀着这一想法，他将研究的目光投向高分子材料，利用其可降解的特性，他相信“将来的白色污染大部分都是可以消失的”。一路走来，从纤维素、聚酯、尼龙等纤维材料的基础研究，到产品开发，他距离自己的理想越来越近。

如今，吴开建主要负责可降解材料的研发工作，公司会议室的展示橱窗里，很多可降解的产品，例如餐具、塑料薄膜、纤维无纺布等，不少都出自他手。

展示窗里的可降解产品

“其实材料与人一样，都会新陈代谢。”在吴开建看来，材料的“消失术”并不神奇，生活中随处可见的垃圾发霉就是一个降解过程，由微生物在材料表面生长，释放出细胞酶，再逐渐侵蚀腐殖质，这些材料一部分转化成营养质，被微生物吸收，一部分则会变成二氧化碳，释放到自然界中。

吴开建喜欢把微生物叫做“微生物宝宝”，他的工作就是为这些宝宝们研发“食物”，但是想要微生物爱吃，并不容易。一种新的可降解材料从想法的萌芽到诞生有很多路要走：分析材料特性，设计配方，进行工艺调控，在生产出产品后，还要进一步评估材料的可降解性与实用性。最漫长的一个产品甚至需要几十年之久。

在这种情况下，接力研发也是常有的事。吴开建刚刚研发成功的一款“全生物降解鞋”，前后研发经历了二十余年。“我们刚刚开完发布会，就有很多企业一直在跟我们要料。”尽管时间漫长，但谈到这款鞋，他依旧兴奋不已。在吴开建眼里，这款鞋已是他实验室里无数产品中的幸运儿，已经不知有多少产品只能永远躺在瓶瓶罐罐的实验仪器中，就此长眠。

这款可降解鞋的鞋面运用棉麻等天然材料，鞋底使用可堆肥可生物降解材料，实现全鞋可降解。这款可降解板鞋，人们很难感受到与普通鞋子有什么区别。但由于可降解的特性，它的寿命会比普通鞋子稍微短一些，普通鞋子寿命有3-5年，而这款建议穿2年左右，“其实跟消费者换鞋周期差不多，影响不大”。

吴开建在实验室里研究可降解材料

这种可降解性与实用性的权衡，经常让可降解材料研发工程师头痛——不能因为追求可降解性，而忽视了产品质量。虽然吴开建的多数工作时间都是泡在实验室里，与各种专业机器打交道，但他从来没有脱离实际，一直关心着用户需求，评估材料特性，在可降解性和实用性中努力找到平衡点。

工作之外，吴开建还有一个爱好是种菜。他在公司园区开辟了一处菜田，一部分用自己公司研发的PBAT可堆肥可生物降解地膜，一部分用普通地膜，一部分不用地膜，将新材料放在实际中，对照实验。这一爱好还获得了意外之喜，上海疫情期间，这些新鲜蔬菜成了餐桌上的美味佳肴。

吴开建希望可生物降解地膜能被广泛应用

这种新型可生物降解材料能通过更大量的堆肥将养分返回土壤，避免土壤中的塑料积聚，从而形成养分闭环，实现循环经济。公司园区土壤条件不是很好，但得益于可降解材料发酵堆肥，他打趣道，“这可能是整个园区最肥的土了。”

尽管可生物降解材料好处多多，能将对环境的影响降到最低，但其一直受限于价格，“没有给人一种迸发的感觉”。吴开建发现，其价格高主要是因为可生物降解材料的成本相比传统材料要高。“现阶段可生物降解材料的成本在慢慢往下走，它的应用面将来会越来越广。”

降低成本，新型的生产工艺至关重要。早在2000年，彤程新材就开始与巴斯夫合作，2020年5月，彤程新材开始在上海建造一座年产能6万吨的PBAT工厂，预计2022年投产，产品可以用作生产有机垃圾袋、保鲜膜、果蔬袋，以及农业地膜和食品包装等。

在新技术的加持下，吴开建对可生物降解材料的应用前景充满信心。“我希望在未来5-10年，无论是农业，或是林业、畜牧业、渔业，都能看到我们产品的身影。”

“为气候而变”系列视频之降解材料