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回收廢紙可以做什么？也許大家都知道：可以再造一種紙呀!然而，答案或許并不如此簡(jiǎn)單。在不久的將來(lái)，我們隨手丟棄的一張廢紙，也許能給汽車(chē)加油，還能讓果汁更好喝，甚至能讓衣服更加光滑鮮艷......

“變廢為寶”的本領(lǐng)這么強(qiáng)大，這是真的嗎？科學(xué)家們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里給出了證據(jù)。

Part.1

廢紙去哪兒了？

我們的現(xiàn)代生活離不開(kāi)紙。想想我們洗完手用的擦手紙，各種辦公學(xué)習(xí)用紙，還有電商購(gòu)物節(jié)時(shí)像小山一樣的快遞包裹，我們每個(gè)人都是“廢紙生產(chǎn)大戶”。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，作為城市固體垃圾和造紙工業(yè)廢棄物的主要成分之一，全球每年廢紙的產(chǎn)量高達(dá)4億噸！真是觸目驚心！

圖：生活中產(chǎn)生的廢紙（圖源| pixabay）

隱隱的慚愧之余，勉強(qiáng)安慰自己，廢紙還可以回收再利用嘛?？墒悄阒绬幔碚撋衔覀兛梢詫U紙循環(huán)利用6-7次，但隨著利用次數(shù)的增加，廢紙纖維的質(zhì)量降低，以及受到填料添加等因素影響，只有50-56%的廢紙能被回收利用。

剩余的廢紙通常通過(guò)地下填埋、堆肥和焚化的方式處理。這種粗獷的處理方式不僅對(duì)地下水資源帶來(lái)了威脅，而且由于焚燒造成的溫室氣體排放對(duì)環(huán)境也是一種嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，如何充分利用廢紙資源并防止對(duì)環(huán)境造成污染，是世界各國(guó)都非常重視的問(wèn)題?？茖W(xué)家們也在不斷探索廢紙資源的高值化利用新途徑。

Part.2

纖維素酶本領(lǐng)大

千萬(wàn)別小瞧這些廢紙，它們可都是“潛力股”。廢紙的纖維素含量高，價(jià)格低廉，原料來(lái)源廣泛易獲取，生產(chǎn)量很大，這些特點(diǎn)使廢紙具有非常好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力。

科學(xué)家們的腦洞總是很大：既然廢紙中也含有高含量的纖維素，那么它能否用以纖維素酶的發(fā)酵生產(chǎn)呢？

纖維素酶最早發(fā)現(xiàn)于蝸牛的消化液中，是一組能夠?qū)⒗w維素類(lèi)底物特異性水解成葡萄糖等單糖的復(fù)合酶系總稱(chēng)。

這個(gè)概念聽(tīng)起來(lái)很學(xué)術(shù)，但其實(shí)離我們的生活特別近。近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，纖維素酶已經(jīng)成為繼淀粉酶和蛋白酶之后的全球第三大工業(yè)用酶制劑！它被廣泛應(yīng)用于生物能源、食品、造紙、紡織洗滌、醫(yī)藥、動(dòng)物飼料以及農(nóng)業(yè)廢棄物處理等領(lǐng)域。

比如，生物質(zhì)纖維素通過(guò)纖維素酶水解和微生物發(fā)酵可生產(chǎn)生物燃料乙醇，它可以單獨(dú)或與汽油按一定比例混合成乙醇汽油作為汽車(chē)燃料，有效減少化石能源的消耗；在果汁飲料的加工生產(chǎn)中，纖維素酶可以顯著提高果汁的提取效率，同時(shí)還能讓果汁更加清澈透明；纖維素酶產(chǎn)品還能有效去除衣物上由于長(zhǎng)時(shí)間磨損而產(chǎn)生的微纖維，使衣物光滑潔凈，色彩更加鮮艷。

圖：纖維素酶簡(jiǎn)介（圖| 董妙音）

在纖維素酶發(fā)酵培養(yǎng)中，需要加入纖維素類(lèi)碳源，才能誘導(dǎo)纖維素酶蛋白的大量合成分泌。目前，發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶所用的碳源一般為微晶纖維素或農(nóng)作物秸稈。

然而，產(chǎn)酶菌株生產(chǎn)性能不佳、發(fā)酵成本高昂等問(wèn)題，成為制約纖維素酶行業(yè)快速發(fā)展的主要瓶頸。

如果能用廢紙進(jìn)行纖維素酶的發(fā)酵生產(chǎn)，不僅能降低成本，還能高效利用廢紙資源，可謂一舉多得！此前也有學(xué)者進(jìn)行過(guò)相關(guān)嘗試，但研究結(jié)果并不理想。如果想要規(guī)?；瘧?yīng)用，還需要對(duì)發(fā)酵菌株進(jìn)行改良或?qū)Πl(fā)酵工藝做進(jìn)一步的優(yōu)化。

Part.3

廢紙高值化利用新思路

雖然困難重重，但一項(xiàng)新的研究證實(shí)：利用廢紙資源進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶，是有效且可行的！這項(xiàng)研究發(fā)表在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的《清潔生產(chǎn)雜志》上，由中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所王曙陽(yáng)研究員團(tuán)隊(duì)完成。

研究者們利用重離子束誘變選育的長(zhǎng)枝木霉突變菌株LC-M4進(jìn)行廢紙?zhí)荚窗l(fā)酵產(chǎn)酶，并選用了辦公廢紙、餐巾廢紙、雜志紙和硬紙板紙進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硬紙板紙發(fā)酵的產(chǎn)酶效果最好。

圖：本研究中用到的不同類(lèi)型的廢紙。A：辦公廢紙；B：餐巾廢紙；C：雜志紙；D：硬紙板紙（圖| 董妙音）

為什么廢紙適合被用來(lái)發(fā)酵產(chǎn)酶呢？通過(guò)研究廢紙的結(jié)構(gòu)表征，研究者們發(fā)現(xiàn)，除了含有高含量的纖維素，造紙過(guò)程中添加的碳酸鈣等填料可以為菌株生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成提供營(yíng)養(yǎng)元素，因此對(duì)發(fā)酵過(guò)程有促進(jìn)作用。

圖：不同類(lèi)型廢紙結(jié)構(gòu)表征結(jié)果。左：SEM（×1000）和EDS能譜測(cè)定結(jié)果（A, 辦公廢紙；B, 餐巾廢紙；C, 雜志紙；D, 硬紙板紙）；右：XRD（10-50?）測(cè)定結(jié)果（圖| 董妙音）

為了進(jìn)一步提高產(chǎn)酶效果，研究者們選用硬紙板紙和麩皮進(jìn)行混合碳源發(fā)酵。麩皮作為一種農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)物，含有一定量的可溶性纖維寡糖成分，能夠有效誘導(dǎo)纖維素酶和半纖維素酶的分泌。

研究者們驚喜地發(fā)現(xiàn)，這種混合碳源比硬紙板紙作為單一碳源的產(chǎn)酶能力還提高了不少！其中，β-葡萄糖苷酶活提高了56.86%，木聚糖酶活較目前廣泛應(yīng)用的微晶纖維素碳源發(fā)酵酶活提高了16.51%。這些結(jié)果都高于此前同類(lèi)研究報(bào)道的發(fā)酵酶活。

除了優(yōu)異的發(fā)酵效率，使用隨手可得的廢紙作為碳源進(jìn)行纖維素酶生產(chǎn)，成本只有微晶纖維素碳源的十分之一左右，大幅降低了產(chǎn)酶成本。不僅如此，整個(gè)過(guò)程操作簡(jiǎn)單，綠色環(huán)保。

變廢為寶，未來(lái)可期！這項(xiàng)研究為廢紙資源高值化利用新途徑的開(kāi)發(fā)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。如果能將其推向市場(chǎng)，將對(duì)解決城市廢紙資源管理問(wèn)題、加快實(shí)現(xiàn)減污降碳和推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，雖然廢紙資源有望被我們有效轉(zhuǎn)化利用，但是我們也要節(jié)約用紙，保護(hù)樹(shù)木，這樣才能讓我們共同的地球家園更加美麗哦~

來(lái)源：中科院近代物理所

作者董妙音 王曙陽(yáng)

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