新突破!废弃菌渣变“宝贝”

农业废弃物是指在整个农业生产过程中被丢弃的有机类物质,包含农业生产和畜禽养殖业中产生的废弃物,主要指农作物秸秆和畜禽粪便。

数据显示,我国每年产生各类秸秆约 9 亿吨、畜禽粪污约 38 亿吨。农业废弃物再利用,不仅能促进农业资源环境可持续发展,助力实现 “碳达峰、碳中和” 目标,还有助于延长现代农业产业链,拓宽农民增收渠道,具有经济、社会和生态等多重效益。

来自上海农业科学院的研究人员利用食药两用真菌蛹虫草,将农业废弃物如秸秆和废弃菌渣转化成高附加值的抗癌药物喷司他丁。

据上海市农科院食用菌研究所邹根研究员介绍,每生产 1 公斤蘑菇,就会产生 5 公斤的废弃蘑菇培养基质。目前,我国栽培食用菌年产量约 4000 万吨,产生约两亿吨的废弃蘑菇培养基质(SMS)。

SMS 富含木质纤维素、蛋白质、生物活性天然产物和其他必需元素,如被适当回收或再生利用,极有潜力成为一种较好的资源。在农业中,可用作肥料和堆肥;在工业中,基于 SMS 为底物的产品包括包装和建筑材料、生物燃料、化学品和酶,然而这些传统回收方法很耗时,转化率和附加值较低。因此,迫切需要环保、可持续的SMS处理措施。

“食用菌本身就是食品,利用它生产的东西相对安全。选择虫生真菌蛹虫草的原因有两个。首先,蛹虫草不仅是一种食用菌,还是一种名贵的药材,蛹虫草含有的一种活性物质是 FDA 认证的治疗白血病的一线药物喷司他丁,其他食用菌也有很多有生物活性的天然产物,但被 FDA 认证的其实很少,这不是对其他食用菌功效的否定,只能说现阶段还缺乏系统性临床实验。”邹根说,“其次,蛹虫草长得较快,从孢子接种 20 几天就开始形成子实体了,很多食用菌栽培都是数以月计。”

通过在体外优化能有效降解 SMS 的纤维素酶混合物,然后将优化后的纤维素酶体系引入蛹虫草,邹根研究员团队成功将 SMS 转化为高附加值的抗癌药物喷司他丁,该方法生产喷司他丁的产量不仅比工业上常规利用抗生链霉菌发酵生产高 10 倍以上,而且与化学合成相比,避免了使用各种复杂有毒有害化学试剂,分离纯化更方便,整个合成过程也更环保。

据了解,该项研究的创新之处在于首次将食用菌做成抗癌药物的细胞工厂,并且成功将农业废弃物转化成了高附加值的抗癌药物,这充分验证了利用合成生物学可以实现高回报的农业生物经济与可持续的绿色生物制造,也是未来农业发展的方向。邹根研究员表示,该实验仍有可以改进的地方,蛹虫草细胞工厂虽可利用纤维素为底物进行液态或者固态发酵,但一般秸秆和废弃菌渣等农业废弃物的主要成分是木质纤维素,而纤维素只是木质纤维素的一部分,木质纤维素相比纤维素是更为复杂、更难利用的一个成份,下一步计划是将废弃菌渣等农业废弃物的利用率进行进一步优化,建立更稳定和高效的细胞工厂。