你隨手丟棄的廢紙,能讓汽車跑起來

回收廢紙可以做什麼?也許大家都知道:可以再造一種紙呀!然而,答案或許並不如此簡單。在不久的將來,我們隨手丟棄的一張廢紙,也許能給汽車加油,還能讓果汁更好喝,甚至能讓衣服更加光滑鮮艷。「變廢為寶」的本領這麼強大,這是真的嗎?科學家們已經在實驗室里給出了證據。

廢紙去哪兒了?

我們的現代生活離不開紙。想想我們洗完手用的擦手紙,各種辦公學習用紙,還有電商購物節時像小山一樣的快遞包裹,我們每個人都是「廢紙生產大戶」。

據統計,作為城市固體垃圾和造紙工業廢棄物的主要成分之一,全球每年廢紙的產量高達4億噸!真是觸目驚心!

你隨手丟棄的廢紙,能讓汽車跑起來

圖:生活中產生的廢紙(圖源| pixabay)

隱隱的慚愧之餘,勉強安慰自己,廢紙還可以回收再利用嘛。可是你知道嗎,理論上我們可以將廢紙循環利用6-7次,但隨著利用次數的增加,廢紙纖維的質量降低,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。

剩餘的廢紙通常通過地下填埋、堆肥和焚化的方式處理。這種粗獷的處理方式不僅對地下水資源帶來了威脅,而且由於焚燒造成的溫室氣體排放對環境也是一種嚴峻的挑戰。

因此,如何充分利用廢紙資源並防止對環境造成污染,是世界各國都非常重視的問題。科學家們也在不斷探索廢紙資源的高值化利用新途徑。

纖維素酶本領大 

千萬別小瞧這些廢紙,它們可都是「潛力股」。廢紙的纖維素含量高,價格低廉,原料來源廣泛易獲取,生產量很大,這些特點使廢紙具有非常好的開發應用潛力。

科學家們的腦洞總是很大:既然廢紙中也含有高含量的纖維素,那麼它能否用以纖維素酶的發酵生產呢?

纖維素酶最早發現於蝸牛的消化液中,是一組能夠將纖維素類底物特異性水解成葡萄糖等單糖的復合酶系總稱。

這個概念聽起來很學術,但其實離我們的生活特別近。近年來,隨著科技的進步和社會的發展,纖維素酶已經成為繼澱粉酶和蛋白酶之後的全球第三大工業用酶制劑!它被廣泛應用於生物能源、食品、造紙、紡織洗滌、醫藥、動物飼料以及農業廢棄物處理等領域。

比如,生物質纖維素通過纖維素酶水解和微生物發酵可生產生物燃料乙醇,它可以單獨或與汽油按一定比例混合成乙醇汽油作為汽車燃料,有效減少化石能源的消耗;在果汁飲料的加工生產中,纖維素酶可以顯著提高果汁的提取效率,同時還能讓果汁更加清澈透明;纖維素酶產品還能有效去除衣物上由於長時間磨損而產生的微纖維,使衣物光滑潔淨,色彩更加鮮艷。

你隨手丟棄的廢紙,能讓汽車跑起來

圖:纖維素酶簡介(圖| 董妙音)

在纖維素酶發酵培養中,需要加入纖維素類碳源,才能誘導纖維素酶蛋白的大量合成分泌。目前,發酵生產纖維素酶所用的碳源一般為微晶纖維素農作物秸稈

然而,產酶菌株生產性能不佳、發酵成本高昂等問題,成為制約纖維素酶行業快速發展的主要瓶頸。

如果能用廢紙進行纖維素酶的發酵生產,不僅能降低成本,還能高效利用廢紙資源,可謂一舉多得!此前也有學者進行過相關嘗試,但研究結果並不理想。如果想要規模化應用,還需要對發酵菌株進行改良或對發酵工藝做進一步的優化。

廢紙高值化利用新思路 

雖然困難重重,但一項新的研究證實:利用廢紙資源進行發酵生產纖維素酶,是有效且可行的

這項研究發表在環境科學領域的《清潔生產雜誌》上,由中國科學院近代物理研究所王曙陽研究員團隊完成。

研究者們利用重離子束誘變選育的長枝木霉突變菌株LC-M4進行廢紙碳源發酵產酶,並選用了辦公廢紙、餐巾廢紙、雜誌紙和硬紙板紙進行試驗,結果發現,硬紙板紙發酵的產酶效果最好。

你隨手丟棄的廢紙,能讓汽車跑起來

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

為什麼廢紙適合被用來發酵產酶呢?通過研究廢紙的結構表徵,研究者們發現,除了含有高含量的纖維素,造紙過程中添加的碳酸鈣等填料可以為菌株生長和產物合成提供營養元素,因此對發酵過程有促進作用。

你隨手丟棄的廢紙,能讓汽車跑起來

圖:不同類型廢紙結構表徵結果。左:SEM(×1000)和EDS能譜測定結果(A, 辦公廢紙;B, 餐巾廢紙;C, 雜誌紙;D, 硬紙板紙);右:XRD(10-50◦)測定結果(圖| 董妙音)

為了進一步提高產酶效果,研究者們選用硬紙板紙和麩皮進行混合碳源發酵。麩皮作為一種農業加工副產物,含有一定量的可溶性纖維寡糖成分,能夠有效誘導纖維素酶和半纖維素酶的分泌。

研究者們驚喜地發現,這種混合碳源比硬紙板紙作為單一碳源的產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用的微晶纖維素碳源發酵酶活提高了16.51%。這些結果都高於此前同類研究報導的發酵酶活。

除了優異的發酵效率,使用隨手可得的廢紙作為碳源進行纖維素酶生產,成本只有微晶纖維素碳源的十分之一左右,大幅降低了產酶成本。不僅如此,整個過程操作簡單,綠色環保。

變廢為寶,未來可期!這項研究為廢紙資源高值化利用新途徑的開發奠定了實驗基礎。如果能將其推向市場,將對解決城市廢紙資源管理問題、加快實現減污降碳和推動區域經濟高質量發展具有重要意義。

不過話說回來,雖然廢紙資源有望被我們有效轉化利用,但是我們也要節約用紙,保護樹木,這樣才能讓我們共同的地球家園更加美麗哦~

來源:中科院近代物理所

來源:cnBeta