“变废为宝”：合成骨酵母平台实现尿液高效回收制备羟基磷灰石

传统废水处理面临环境挑战，尿液回收中营养物质产品经济价值低限制大规模应用。研究人员开发合成酵母平台（osteoyeast）将尿液转化为羟基磷灰石（HAp）。该过程经济环保，为从人类废物中回收高价值资源提供策略。相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

在资源回收与可持续发展备受关注的当下，传统废水处理方式弊端凸显。尿液虽仅占总废水量的 1%，却蕴含大量氮（N）、磷（P）等营养物质，未经妥善处理排放会引发水体富营养化等环境问题 。目前从尿液中回收营养物质生产肥料，虽有一定环境效益，但因产品市场价格低（300 - 400 美元 / 吨），缺乏经济吸引力，限制了尿液回收的大规模应用。为解决这些问题，来自美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）等机构的研究人员开展了一项创新研究，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究人员受到成骨细胞合成羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HAp）生物机制的启发，开发了一种合成酵母平台 —— 骨酵母（osteoyeast），旨在将尿液转化为高价值的 HAp。HAp 作为一种钙磷矿物质，是脊椎动物骨骼和牙齿等生物复合材料的主要成分，在骨科、口腔护理、整形外科等领域应用广泛，市场前景广阔，预计到 2030 年市场规模将超 35 亿美元 。利用骨酵母平台从尿液中生产 HAp，有望提升尿液回收的经济效益，推动可持续发展。

研究中用到的主要关键技术方法包括：通过基因工程技术构建表达尿素酰胺裂解酶（urea amidolyase）和尿素转运体（urea transporter）等基因的酿酒酵母（Saccharomyces boulardii）菌株；运用多种显微镜技术，如透射电子显微镜（TEM）、荧光显微镜等，对细胞内钙积累、HAp 合成及细胞分泌过程进行观察和分析；采用 X 射线衍射（XRD）分析对合成的 HAp 进行结构表征；利用开源流程模拟器 QSDsan 和 BioSTEAM 进行技术经济分析（TEA），评估从尿液生产 HAp 的系统可行性。

研究结果

1. 设计原理：模仿成骨细胞合成 HAp 的过程，选定酿酒酵母作为底盘细胞，对其液泡进行工程改造。通过过表达尿素分解酶，使细胞内 pH 升高，激活 H⁺反向转运体 Vcx1，促使液泡积累钙形成无定形磷酸钙（Amorphous Calcium Phosphate，ACP），随后 ACP 经细胞外囊泡（Extracellular Vesicles，EVs）分泌并转化为 HAp。

2. 液泡中钙的积累：实验表明，同时表达尿素酰胺裂解酶基因（dur12）和尿素转运体基因（dur3）的菌株 SB822 具有更高的脲酶活性。利用荧光显微镜观察发现，菌株 SB825 在含尿素和钙离子的培养基中培养后，液泡内钙积累增加，且出现了晶体状物质，证明成功实现了液泡对钙离子的运输、积累和储存。

3. HAp 合成：对 SB822 培养物进行 TEM 分析，结果显示细胞内的颗粒为 ACP，细胞外的血小板状晶体为 HAp，且合成的 HAp 与骨中的 HAp 相似，证实成功构建了能介导类似骨 HAp 合成的骨酵母菌株。

4. ACP - EVs 的分泌：开发了相关成像方法，观察到 SB825 菌株在 HAp 合成过程中，液泡内的 ACP 先积累，随后形成的小颗粒逐渐融合转化为 HAp。TEM 分析发现细胞周围存在大量含 ACP 的 EVs，表明酵母细胞可将液泡中的 ACP 转运到 EVs 并分泌出去，分泌后的 EVs 融合，其中的 ACP 在合适条件下转化为 HAp。

5. ACP - EVs 转化为 HAp：研究发现，细胞外囊泡分泌后，泡内多聚磷酸降解为单磷酸，促进晶体合成。发酵过程中 pH 变化对 HAp 形成起关键作用，较低 pH（5.2 左右）即可引发 HAp 结晶，且可能有大分子物质作为模板促进结晶过程。

6. 从尿液中合成 HAp：测试骨酵母从人尿液中合成 HAp 的能力，在不同钙浓度的尿液中培养菌株 SB823，发现其在添加 10 mM 钙的尿液中消耗钙量最多。提高接种量后，HAp 产量可达约 1.1 g/L，经多种分析方法证实成功从尿液中合成了 HAp。

7. HAp 合成的技术经济分析：对城市规模的 HAp 生产系统进行 TEA，结果表明该系统具有潜在的盈利性。在模拟规模下，系统每年可从尿液中回收磷并生产 65.4 吨 HAp，HAp 的最低产品销售价格（MPSP）中位数为 18.8 美元 / 千克，低于市场价格范围。运营成本（OPEX）占系统生命周期成本的 68.3 - 87.6%，覆盖更大人口或提高集中化程度可降低 HAp 生产成本 。

研究结论表明，骨酵母平台为将尿液转化为高价值资源生产 HAp 提供了有效途径，具有显著的经济和环境效益。通过模仿成骨细胞合成 HAp 的分子机制，揭示了不同物种间生物矿化途径的演化关系。该平台不仅为研究 HAp 合成提供了简化模型，还为生产具有商业潜力的生物纳米复合材料开辟了新途径。不过，目前 HAp 产量仍有提升空间，未来可通过优化遗传和生化途径，如调节钙磷通量、加速 EVs 分泌等，进一步提高骨酵母平台的效率，推动其在可持续生物经济中的广泛应用。