自从塑料问世以来，其已在生活的各个领域发挥重要作用，随着经济发展，全球对塑料制品的需求不断攀升，对塑料制品的种类和质量要求也越来越高。数据显示，截至 2020 年全球生产的塑料已达 80 亿吨，且每年以数亿吨的规模持续增长。
尽管为生活带来了便利，但传统石油基塑料也同时带来了“白色污染”、“微塑料”等环境污染和人类健康问题，因此，寻找石油基塑料的替代产品迫在眉睫，围绕生物基塑料的研究与开发是当下的热门领域。
聚羟基脂肪酸酯（PHA）具有与石油基塑料产品类似的物化性质，可在自然条件下被微生物完全降解，具有良好的生物可再生性、可降解性以及生物相容性等多种优势，可广泛应用于工业、农业、建筑业以及生物医药等多个领域，是一种极具潜力的石油基塑料替代产品。
现阶段，业界围绕 PHA 的微生物合成途径、生产和规模化量产已经开展了大量研究，目前已有企业 PHA 年产能已达数万吨级别。据欧洲生物塑料协会（EUBP）数据显示，2028 年，全球 PHA 产能有望达到 100 万吨。
基于极端微生物发酵的 NGIB 简化 PHA 生产过程
聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一种由微生物通过各种碳源发酵合成的可降解高分子生物聚脂。PHA 独特的分子结构使其具有优良的加工性能和机械性能，可制成薄膜、纤维、注塑件等多种形式，广泛应用于包装、医疗、农业、纤维纺织等领域。
作为一种生物可降解材料，PHA 在自然环境中可被微生物完全分解，不会对环境造成污染。在碳中和指数方面具有较大优势，对比其他常见的生物基塑料，己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯共聚物（PBAT）为 30%，聚乳酸（PLA）达 70%，而 PHA 可达 100%；在降解性能上，PHA 的降解对环境的依赖性较小，无需进行堆肥处理且降解周期可控，可在土壤、淡水或海水等各种自然环境下实现 100% 降解。
此外，PHA 具有良好的生物相容性，可用于医疗领域，比如手术缝合线、组织工程、植入材料、药物缓释等，并且 PHA 没有毒性，对人体安全无害。以 PHB 为例，其在人体内可降解成属于血液成分的 3HB，不会产生排斥反应。2007 年，以 P4HB 为原料的可吸收缝合线获 FDA 批准上市，成为首个商业化 PHA 医疗产品。
PHA 其实属于一类高分子聚酯的统称，目前已发现组成 PHA 的羟基脂肪酸单体有 150 余种，单体的种类、碳链长度以及侧链基团等决定 PHA 的结构和性能。
根据单体结构的不同，PHA 可分为多种类型，常见的比如聚 3-羟基烷酸酯（PHA）、聚 3-羟基丁酸酯（PHB）、聚 3-羟基戊酸酯（PHV）和聚 3-羟基丁酸酯与 3-羟基戊酸酯的共聚物（PHBV）等。其中，PHB 是最早发现、研究最深入、结构最简单同时也是最常见的 PHA 家族成员，具有良好的抗氧化性、防水性和较高的硬度，主要被开发用作包装材料，属于第一代商业 PHA 材料。
为了优化材料性能，业界后续又开发出 PHB 和 PHV 的共聚物 PHBV，相较于 PHB，其在热加工性能、韧性和延展性方面均得到较大提高，属于第二代 PHA 材料；如今，业界已经相继开发出了第三代（聚 3-羟基丁酸酯-co-3-羟基己酸酯，PHBHHx）和第四代（聚 3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯，P34HB）的 PHA 材料，在性能上实现更多提升。
PHA 的合成主要是通过微生物的代谢过程，底物原料来源较为广泛，可以是葡萄糖、脂肪酸、甘油等，微生物通过发酵将原料最终转化为 PHA。目前，业界已发现超过 90 个属的 500 余种细菌能够合成 PHA，整体而言，PHA 合成代谢途径主要有 3 条。
第 1 条途径，从糖酵解途径生成的两分子乙酰 CoA 依次经β-酮基硫解酶和乙酰乙酰 CoA 还原酶，最后在 PHA 合酶催化下合成 PHB；第 2 条途径，脂肪酸被活化成酯酰 CoA 后进入 β-氧化途径，中间产物 S-3-羟基酯酰 CoA 在差向异构酶作用下转换成可以被 PHA 合酶催化利用的 R-3-羟基酯酰 CoA；第 3 条途径，以乙酰 CoA 为起点的脂肪酸从头合成途径的中间产物参与 PHA 的合成。
此外，业界还通过基因工程构建出一些新的 PHA 合成途径，比如从草酰乙酸出发通过基因工程手段为 PHBV 的合成提供 3-羟基戊酰 CoA；以及从琥珀酰 CoA 出发为 P（3HB-co-4HB）合成提供 4-羟基丁酰 CoA。
在PHA的微生物合成过程中，生产成本主要集中在发酵底物的消耗和灭菌过程的能源消耗上，其中底物原料约占成本的 50% 左右，灭菌约占 30% 左右，与此同时，成本控制也是 PHA 规模化量产过程中的核心挑战。
为了降低 PHA 生产成本，业界的研究主要围绕降低发酵底物成本和灭菌过程能源消耗成本，比如提高菌株产率、利用廉价底物以及开发微生物进行非无菌发酵等。
目前，研究人员利用基因工程等技术对微生物进行改造已经大幅提高了 PHA 的产量和合成效率，比如，通过敲除或调控关键基因的表达使微生物能够更高效地利用底物原料合成 PHA。
此外，合理利用廉价碳源底物，尤其是工农业废弃物原料能够有效降低 PHA 的生产成本。比如，利用秸秆经生物炼制得到的纤维素和木质素可以作为 PHA 生产的碳源底物；生活中的废弃生物质（豌豆皮、土豆皮、洋葱皮等）资源经酸化后可以转化为挥发性脂肪酸用于低成本 PHA 的生产。
通常情况下，传统微生物发酵生产是在无菌环境中进行的，无菌化处理过程（比如设备灭菌、培养基灭菌的蒸汽消耗等）导致成本较高。对此，清华大学陈国强教授和团队开发出基于耐污染极端微生物的“下一代工业生物技术”（NGIB），其使用极端条件下生长的菌种，比如盐单胞菌，由于无需灭菌过程，能够降低设施、能源消耗和材料成本，并且可以实现连续发酵。
试验表明，盐单胞菌在非无菌条件下（60 g/L NaCl，pH=9）下可实现 14 天的无污染生长，在没有任何基因工程的情况下，细胞干重（CDW）为 80 g/L，PHB 质量分数达 80%；在另一项试验中，采用适应性进化使盐单胞菌利用高醋酸盐在 5 L 非无菌生物反应器中产生了 49.79 g/L 的 PHB。
以极端微生物为核心的“下一代工业生物技术”可开发为多种 PHA 的低成本生产平台，实现 PHA 生产的开放性和连续性，节约能源消耗，简化生产过程，将有望提高 PHA 的市场竞争力并推进商业化进程。
尽管 PHA 是公认为绿色环保型高分子材料，但它也并非完美，比如其疏水性强、热稳定性差、加工窗口窄、生产成本高等缺点制约了进一步发展。对此，研究人员在 PHA 的改性方面也进行了深入探索，通过引入不同的官能团或与其他高分子材料共混，可以强化 PHA 的机械性能、热性能等，拓展应用领域。比如，通过与其他生物基可降解高分子材料，比如聚乳酸（PLA）、透明质酸（HA）、壳聚糖（CS）等进行共混，能够有效改善其疏水性、热稳定性、结晶性能等问题，可以得到具有良好机械性能和生物降解性的复合材料，从而满足更多领域的需求。
限塑令或将带来千万吨级的可降解替代空间
去年 11 月，欧洲议会环境委员会（ENVI）通过了“包装和包装废弃物法规”（PPWR）的拟议修订案，旨在促进再利用和回收并解决不断增长的塑料包装废弃物问题。PPWR 主要涵盖三大目标：防止包装废弃物的产生、促进高质量回收和增加包装中回收塑料的使用，计划到 2030 年让所有包装变得可重复使用或可回收。
值得注意的是，2021 年 1 月，国内被认为是史上最严的“限塑令”（国家发展改革委、生态环境部等九部门联合印发的《关于扎实推进塑料污染治理工作的通知》）正式实施，一次性的不可降解塑料吸管和包装袋等在一些特定的场所被严禁使用。
有业内人士曾指出，“此前可降解生物基塑料发展较慢主要是由于生产成本高和推行政策不够强力，近年来欧洲国家陆续推出限塑强制政策，国内政策也愈发严格，可降解塑料行业趋势发生了明显变化，已经进入了爆发期。随着国内规划到 2025 年逐渐扩大对一次性塑料制品的生产使用限制，这或将带来千万吨级的可降解替代空间。”
毋庸置疑，全球范围禁/限塑令的陆续颁布，国内“双碳”目标的提出，日渐严峻的环境污染问题和人们对环保和可持续发展的日益关注，以 PHA 为代表的可降解生物基材料产业迎来发展契机。