为人类社会可持续发展而不懈奋斗——几代山大人的追梦路

——本报专访中国桔杆生物精炼产业的开拓者曲音波教授团队

    期次:第38期    作者:王巍


  曲音波,理学博士,山东大学教授,博士生导师。曾任山东大学生命科学学院院长,微生物技术国家重点实验室主任。


  编者按:习总书记在十九大报告中指出:我们要坚定不移地贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念,建立健全绿色低碳循环发展的经济体系;坚持节约资源和保护环境的基本国策,倡导简约适度、绿色低碳的生活方式,推动形成人与自然和谐发展的现代化建设新格局;坚持推动构建人类命运共同体;坚持环境友好,合作应对气候变化,构筑尊崇自然、绿色发展的生态体系,保护好人类赖以生存的地球家园,建设清洁美丽的世界……我们生活的世界充满希望,也充满挑战。我们不能因现实复杂而放弃梦想,不能因理想遥远而放弃追求。
  为了人类的可持续发展,山东大学曲音波科研团队,几十年如一日,几代人进行着开拓性地研究,终有所成。他们不断探索,不断收获,向着梦想继续奋力前行。
  能源、资源、环境问题是制约21世纪人类社会可持续发展的主要瓶颈。以大量消耗石油等化石能源为主要特征的现代工业文明,一方面创造了目前人类社会丰富灿烂的物质文化生活,同时也正在迅速地消耗着地球上宝贵的不可再生资源,并且不断地向空气中排放温室气体,造成气候变暖,威胁着子孙后代的发展环境。以大量消耗世界资源为手段的现有发展模式已难以为继,开发新的可持续的替代资源已成为世界各国的紧迫任务。生物质是地球上唯一可大规模再生的有机物资源。将其中非粮的木质纤维素部分降解转化为液体燃料和大宗化学品,可以有效地缓解能源资源紧缺、开拓新的经济增长点、增加就业岗位、促进三农发展、保护生态环境,为未来经济的可持续发展奠定坚实基础,具有十分重要的战略意义。
  然而,作为植物支撑组织的木质纤维素材料经过长期的自然进化,形成了复杂的物理化学结构来抗拒生物降解。目前,人类还缺少能够高效破坏纤维素抗降解屏障的低成本技术,其生物降解转化的效率还不能适应大规模工业化的要求。国内这方面基础研究相对薄弱,急需针对生物质抗降解屏障与生物转化的难点,围绕其中的关键科学问题开展研究工作。
  山东大学微生物学科的奠基人王祖农教授早年留学法国巴斯德研究所。新中国建立后,他应童第周先生之邀,放弃国外优越的工作和生活条件,来到山东大学开创了微生物学科。王祖农先生最先关注到了纤维素的微生物降解在自然界物质循环中的关键作用,在国内率先开展了纤维素微生物学的基础研究。
  上个世纪70年代的几次石油危机,使人们认识到了石油资源的有限性及其对环境的危害。王祖农教授提出了开发木质纤维素类可再生生物质资源,实现人类可持续发展的科学设想。他带领高培基教授等微生物研究所的老师们,在开展相关基础研究的同时,联合国内同行组织起了全国性的研究团队,承担了国家“八五”科技攻关等研究项目,掀起了国内纤维素酶生产应用技术研究的第一次高潮。然而,作为一个世界性的科研难题,其研究进程困难重重。在经历了国内外社会、经济形势的几度波动后,国内很多团队都纷纷放弃了相关的研究。但山东大学的团队一直不忘初心,在顽强地坚持着,使山大成为国内外这一领域独树一帜、始终坚持不懈的研究团队。
          与纤维素降解转化研究结下不解之缘
  1978年,曲音波以优异的成绩考入山东大学微生物研究所,成为改革开放后我国恢复高校招生后的第一批研究生。他在中国纤维素酶研究的先驱者王祖农教授、高培基教授门下攻读研究生,也从此与纤维素酶和纤维素乙醇研究结下了不解之缘。
  秸秆是成熟农作物茎叶部分的通称。随着我国农村的快速发展,秸秆失去了原来的家用燃料和建筑材料的用途,逐步变成了无用的“废弃物”。在北方地区,秸秆被打碎后埋在地里不能及时腐烂,往往会影响下一代作物的耕作,无奈的农民有时只能焚烧处理,由此产生大量的烟雾,带来对环境的严重污染。
  曲音波教授说:“很多人不知道,农作物光合作用的产物有一半以上存在于秸秆中。秸秆的主要成分是纤维素和半纤维素(由葡萄糖和木糖等组成),是一种具有多用途的可再生的生物资源。在石油等不可再生能源被大量消耗的今天,如果能充分开发和利用经太阳光合作用所产生的植物生物质,尤其是秸秆等尚未得到充分利用的木质纤维素资源,将对人类社会的未来发展产生不可估量的影响。石油资源短缺、雾霾等环境污染、农村经济发展、农民就业和增收等一系列人类社会面临的紧迫问题也将有机会得到缓解或解决。”
  “纤维素乙醇是秸秆生物炼制产业最关注的产品,而高效生产能将纤维素降解成糖的廉价纤维素酶是产业发展成败的关键。”早在1979年,曲音波就利用高培基教授创立的综纤维素双层平板法,从腐质土样中筛选到大量纤维降解酶产生菌,其中一株青霉生长迅速,酶系完整,具有较强的降解天然纤维素能力。随后他们又从中诱变筛选出了具有明显抗降解物阻遏特性的纤维素酶高产菌株,使其产酶能力大幅提高。
  他们经过亚铵造纸黑液驯化,提高了菌株对黑液毒性的抗性。此外还利用废液废渣配制出廉价培养基,生产出纤维素酶,大幅降低了产酶成本,而液体深层发酵的产酶速率达160FPU/L.h,达到当时国内外文献报道的领先水平。相关研究成果“青霉纤维素酶系的酶学研究”于1987年获得国家教委科技进步奖二等奖,“纤维素酶系酶解机制和活力测定方法的研究”于1991年获得山东省科技进步奖二等奖。
  从1996年起,曲音波等发现的纤维素酶高产菌株先后被宁夏夏盛集团、甘肃白银赛诺公司等用于工业规模生产纤维素酶制剂,广泛应用于食品加工、饲料等行业,创造了较大的经济和社会效益。研究成果“纤维素酶制剂”获山东省1997年科技进步二等奖,“纤维废物液体深层发酵生产纤维素酶”获得了国家教委1997年科技进步一等奖,“青霉抗阻遏突变株纤维废物液体深层发酵生产纤维素酶”获1998年国家技术发明四等奖。
          探索木质纤维素的工业应用与合成调控
  为了能够进一步加以开拓,曲音波与同事们对中性或耐碱性纤维素酶、半纤维素酶等降解酶系也进行了系统研究。
  以造纸业为例,长期以来,行业内主要采用传统的漂白工艺生产草浆,这导致了含毒有机物的产生,对生态环境造成巨大危害。同时,草浆中半纤维素含量高,非纤维细胞比例大,致使纸浆滤水性差、强度低,不适合生产高档纸,也不适合高速纸机的抄造。
  为此,曲音波与陈嘉川博士(今齐鲁工业大学校长)等展开合作,开展了用酶制剂代替化学品用于草浆漂白和改性的研究。他们发现在草浆漂白前对其进行木聚糖酶处理,可提高纸浆的可漂性,减少有害漂白药品的用量;用少量复合酶处理漂白后的草浆,可改进纸浆抄造性能、提高纸浆质量。
  为了能够在工业中得到应用,他们选育了一批适合草浆漂白和改性的木聚糖酶高产菌株。实验证实了部分木聚糖的去除以及纤维结构的破坏,可以增加木素与化学品的接触,以便利于木素的溶出,减少有毒化学漂剂的使用。同时证实了部分纤维表面木聚糖的去除会改善纸浆抄造性能,而少量纤维素酶的存在对改善纸浆性能具有协同作用。进而,他们在国内外率先提出了用真菌和细菌木聚糖酶漂白草浆和进行酶法改性的新技术,获得了国家发明专利。由他们发现的木聚糖酶和纤维素酶在废纸酶法脱墨和酶促打浆等方面也有较大的应用潜力,带动了酶制剂等相关行业的发展。
  酶法助漂和改性技术已于1998年开始进行试用,自2001年起先后在泰山纸业、华泰集团、晨鸣纸业等企业得到推广应用,创造了较大的经济和社会效益。“麦草浆的生物漂白和酶法改性技术”于2005年获得了国家科技进步二等奖。
  成绩是嘉奖也是肯定,但对曲音波和他的同事们来说,他们的梦想更大、更深远。一般而言,通常所谓的纤维素酶并不是单一的一种酶,而是由数十种酶蛋白组成的复杂酶系统。天然木质纤维素材料的降解需要这些酶组分的协同配合才能高效进行。而这一复合酶系的合成是由生物体内复杂的基因表达调控网络来精密调控完成的,严密防止珍贵的蛋白质被过量合成。所以人类必须实现对这一复合酶系及其精密调控网络的深入了解,才能理性地重构其调控网络和酶系组成,提高纤维素酶系的生产效率,实现木质纤维素资源的高效、低成本降解转化。
  曲音波教授和他的团队正是带着这样的梦想,向新的高峰发起了进攻。他们一道克隆、表达和研究了多种纤维素酶组分的功能。利用定向进化等方法,他们使一种内切葡聚糖酶的最适 pH值从 4.8升高到 6.2,在pH7.0时的催化活性提高4.5倍以上,拓展了其在纺织造纸工业中的用途。
  在反复的实验和钻研过程中,他们不仅发现了酶系组分普遍存在翻译后修饰作用,而且发现了外切纤维素酶CBHI有四种糖基化形式,证实了其Asn-137位上的N-糖链长度越长,其酶活性越高。同时,他们发现的其中一种糖型能表现出与其它酶制剂的较强协同作用,可望用于酶制剂酶解效率的改进。
  2010年12月,国家973项目“木质纤维素资源高效生物降解转化中的关键科学问题研究”项目启动大会在济南召开。曲音波教授作为首席科学家主持了这一项目及国家自然科学基金重点项目。项目包含5个国家重点实验室和2个国家工程中心等十余家研究单位、上百名科研技术人员,涵盖了国内本领域的优势力量,对木质纤维素资源高效生物降解转化中的关键科学问题进行了系统攻关研究,契合我国的战略发展需求,并取得了一系列的重要成果。
  曲音波教授领导的课题组对青霉野生菌和两株纤维素酶高产突变株进行了系统组学研究。他们发现该青霉菌产数十种酶组分组成的复杂纤维降解酶酶系,其中半纤维素酶与果胶酶在数量与种类上具有比较优势。特别是其含有23种带纤维素结合结构域的蛋白,明显多于木霉等通用的工业产酶菌株,其中GH26家族的β-1,4-甘露聚糖酶是首次被发现。研究还发现该青霉所产的纤维降解酶系中虽然外切葡聚糖酶含量相对较低,但β-葡萄糖苷酶、裂解型多糖单加氧酶、木聚糖酶等含量较高,较适合降解天然植物纤维材料。
  为阐明突变株纤维素酶产量提高、酶系组成优化的机理,曲音波教授课题组对不同产酶条件下三株青霉的转录组和分泌组做了分析比较,发现反复诱变使突变株多种转录因子的基因或其启动子发生了突变,造成其胞外酶系组成发生了明显变化:野生株分泌大量淀粉酶、蛋白酶,而突变株的胞外蛋白几乎全为纤维降解酶类。
  曲教授与同事们预测到在青霉基因组中的500余种可能的转录调控蛋白,通过对它们进行逐一敲除,建立起了含有450种转录调控因子的突变体文库。再结合其它研究工作,他们先后发现了30余种参与纤维素酶合成调控的蛋白(转录因子、寡糖转运蛋白、胞内β-葡萄糖苷酶及信号蛋白等),还利用多基因敲除和过表达技术,理性重构了其酶合成转录调控网络。他们的工作仅进行了3个基因改造的重构,菌株的产酶性能就已经明显优于经30年连续诱变选育才获得的工业生产菌株,显示了酶合成调控网络重构技术的巨大发展潜力。
  此外,曲音波教授还特别提到,通过对酶组分之间协同作用的发现,他们获得了酶系组成得到优化重构的工业菌株,使酶系的酶解效率和纤维素转化率都得到了提高。
          开拓桔杆生物精炼产业新局面
  “当前,生物燃料主要用粮食来做,美国用玉米,巴西用甘蔗,技术已经非常成熟。但我国是人口大国,‘拿粮食供汽车烧’无法持续。”曲音波教授介绍,所以他将目光转向了可再生性木质纤维素资源。作为从事可再生木质纤维素资源的微生物降解和转化技术研究的专家,曲音波教授义无反顾地挑起了这付重担,先后主持或参加了40余项纵横向的科研项目,开展了多种多样的积极探索。
  在研究中发现,多数纤维素乙醇研究均只以秸秆等原料中的部分组分单纯生产乙醇一种产品,造成成本过高而未能实现产业化。所以,采用集成生物精炼技术,同时将木质纤维素资源中的全部主要组分,分别降解转化生产不同的燃料和化学产品,应是解决秸秆生物炼制经济可行性的重要途径。于是,他们在国际上率先提出了农业废弃物玉米芯生物精炼的概念:首先从玉米芯中提取半纤维素,生产低聚木糖、木糖醇等高附加值产品,再用木糖渣就地生产纤维素酶和燃料乙醇,此外残渣中的木质素也可以提取出来用于生产化工产品,从而实现原料组分全利用、产物多样化、价值最大化。
  他们创新性地提出了玉米芯等植物纤维原料生物炼制联产燃料乙醇和化学品技术路线,现已形成了上下衔接的产业链。技术经济分析显示,其中纤维素乙醇生产成本已接近粮食乙醇成本。曲音波教授通过与山东龙力生物科技公司合作,使用具有自主知识产权的青霉菌株就地生产廉价粗酶液,降低了降解用酶成本,进而整合多种生物和化工技术,形成了玉米芯生物组合精炼生产液体燃料和高值化学品的集成创新技术,为纤维素乙醇生产创出了一条新路。
  曲音波教授科研团队的这一新技术获得了国家发明专利和国家知识产权局颁发的中国专利优秀奖,并先后获得了2009年山东省技术发明一等奖和2011年国家技术发明二等奖。在此基础上,他们在国际上率先建成了用玉米芯年产3000吨纤维素乙醇的中试装置和万吨级示范工厂,并于2012年实现了工业规模试生产。经国家发改委核准,现已建设了5万吨/年纤维乙醇装置,成为国内首家、也是唯一一家获得国家批准的纤维素乙醇生产企业。这也是国际上最先实现万吨级纤维素乙醇生产的装置之一,他们走在了国内外同行的前列。
  凭借着骄人的成果,曲音波教授被邀请在世界工业生物技术大会上做了专题学术报告,《日刊工业新闻》也以“下一世代的复合炼制企业”为题对成果做了专题报道。之后,他多次被Biotechnol.Adv.等本领域重要期刊特邀撰写了专题综述,与杜邦、帝斯曼、康泰斯、马来西亚棕榈油协会等国际知名企业建立了实质性合作关系,并主持召开了亚洲生物能源与生物炼制高层论坛,扩大了我国在该领域的国际影响力,在国内外非粮生物质炼制领域赢得了良好声誉。
  为大力倡导和实践秸秆生物炼制理念,曲音波教授及其课题组还进一步完善了相关技术,努力扩大纤维原料种类和联产产品种类。他们支持和参与了河南天冠集团利用秸秆联产乙醇-沼气-电力-渣肥四种产品的新技术研发,协助建设的万吨级示范工厂目前也已进入试产阶段。如今,他的团队又与山东