你随手丢弃的废纸，能让汽车跑起来

中科院半导体所 昨天

以下文章来源于中科院近代物理所 ，作者董妙音 王曙阳

中科院近代物理所
中科院近代物理所

聚焦中科院近代物理所科研成果及动态，传播科学知识。

图片


来源：公众号“中科院近代物理所”（ID：CASIMP）

作者：董妙音 王曙阳



回收废纸可以做什么？也许大家都知道：可以再造一种纸呀!

然而，答案或许并不如此简单。在不久的将来，我们随手丢弃的一张废纸，也许能给汽车加油，还能让果汁更好喝，甚至能让衣服更加光滑鲜艳......   

“变废为宝”的本领这么强大，这是真的吗？科学家们已经在实验室里给出了证据。


1


废纸去哪儿了？


我们的现代生活离不开纸。想想我们洗完手用的擦手纸，各种办公学习用纸，还有电商购物节时像小山一样的快递包裹，我们每个人都是“废纸生产大户”。

据统计，作为城市固体垃圾和造纸工业废弃物的主要成分之一，全球每年废纸的产量高达4亿吨！真是触目惊心！
图片
图：生活中产生的废纸（图源| pixabay）

隐隐的惭愧之余，勉强安慰自己，废纸还可以回收再利用嘛。可是你知道吗，理论上我们可以将废纸循环利用6-7次，但随着利用次数的增加，废纸纤维的质量降低，以及受到填料添加等因素影响，只有50-56%的废纸能被回收利用。

剩余的废纸通常通过地下填埋、堆肥和焚化的方式处理。这种粗犷的处理方式不仅对地下水资源带来了威胁，而且由于焚烧造成的温室气体排放对环境也是一种严峻的挑战。  

因此，如何充分利用废纸资源并防止对环境造成污染，是世界各国都非常重视的问题。科学家们也在不断探索废纸资源的高值化利用新途径。


2

纤维素酶本领大 


千万别小瞧这些废纸，它们可都是“潜力股”。废纸的纤维素含量高，价格低廉，原料来源广泛易获取，生产量很大，这些特点使废纸具有非常好的开发应用潜力。

科学家们的脑洞总是很大：既然废纸中也含有高含量的纤维素，那么它能否用以纤维素酶的发酵生产呢？
纤维素酶最早发现于蜗牛的消化液中，是一组能够将纤维素类底物特异性水解成葡萄糖等单糖的复合酶系总称。
这个概念听起来很学术，但其实离我们的生活特别近。近年来，随着科技的进步和社会的发展，纤维素酶已经成为继淀粉酶和蛋白酶之后的全球第三大工业用酶制剂！它被广泛应用于生物能源、食品、造纸、纺织洗涤、医药、动物饲料以及农业废弃物处理等领域。
比如，生物质纤维素通过纤维素酶水解和微生物发酵可生产生物燃料乙醇，它可以单独或与汽油按一定比例混合成乙醇汽油作为汽车燃料，有效减少化石能源的消耗；在果汁饮料的加工生产中，纤维素酶可以显著提高果汁的提取效率，同时还能让果汁更加清澈透明；纤维素酶产品还能有效去除衣物上由于长时间磨损而产生的微纤维，使衣物光滑洁净，色彩更加鲜艳。
图片图：纤维素酶简介（图| 董妙音）
在纤维素酶发酵培养中，需要加入纤维素类碳源，才能诱导纤维素酶蛋白的大量合成分泌。目前，发酵生产纤维素酶所用的碳源一般为微晶纤维素或农作物秸秆。
然而，产酶菌株生产性能不佳、发酵成本高昂等问题，成为制约纤维素酶行业快速发展的主要瓶颈。

如果能用废纸进行纤维素酶的发酵生产，不仅能降低成本，还能高效利用废纸资源，可谓一举多得！此前也有学者进行过相关尝试，但研究结果并不理想。如果想要规模化应用，还需要对发酵菌株进行改良或对发酵工艺做进一步的优化。


3

废纸高值化利用新思路 


虽然困难重重，但一项新的研究证实：利用废纸资源进行发酵生产纤维素酶，是有效且可行的！

这项研究发表在环境科学领域的《清洁生产杂志》上，由中国科学院近代物理研究所王曙阳研究员团队完成。

研究者们利用重离子束诱变选育的长枝木霉突变菌株LC-M4进行废纸碳源发酵产酶，并选用了办公废纸、餐巾废纸、杂志纸和硬纸板纸进行试验，结果发现，硬纸板纸发酵的产酶效果最好。

图片

图：本研究中用到的不同类型的废纸。A：办公废纸；B：餐巾废纸；C：杂志纸；D：硬纸板纸（图| 董妙音）

为什么废纸适合被用来发酵产酶呢？通过研究废纸的结构表征，研究者们发现，除了含有高含量的纤维素，造纸过程中添加的碳酸钙等填料可以为菌株生长和产物合成提供营养元素，因此对发酵过程有促进作用。

图片图：不同类型废纸结构表征结果。左：SEM（×1000）和EDS能谱测定结果（A, 办公废纸；B, 餐巾废纸；C, 杂志纸；D, 硬纸板纸）；右：XRD（10-50◦）测定结果 （图| 董妙音）

为了进一步提高产酶效果，研究者们选用硬纸板纸和麸皮进行混合碳源发酵。麸皮作为一种农业加工副产物，含有一定量的可溶性纤维寡糖成分，能够有效诱导纤维素酶和半纤维素酶的分泌。
研究者们惊喜地发现，这种混合碳源比硬纸板纸作为单一碳源的产酶能力还提高了不少！其中，β-葡萄糖苷酶活提高了56.86%，木聚糖酶活较目前广泛应用的微晶纤维素碳源发酵酶活提高了16.51%。这些结果都高于此前同类研究报道的发酵酶活。 
除了优异的发酵效率，使用随手可得的废纸作为碳源进行纤维素酶生产，成本只有微晶纤维素碳源的十分之一左右，大幅降低了产酶成本。不仅如此，整个过程操作简单，绿色环保。
变废为宝，未来可期！这项研究为废纸资源高值化利用新途径的开发奠定了实验基础。如果能将其推向市场，将对解决城市废纸资源管理问题、加快实现减污降碳和推动区域经济高质量发展具有重要意义。
不过话说回来，虽然废纸资源有望被我们有效转化利用，但是我们也要节约用纸，保护树木，这样才能让我们共同的地球家园更加美丽哦~

- End -


作者：董妙音 王曙阳 近代物理所生物物理室

图片

编辑：大暑

图片

    阅读原文