果園里賣不出去的橘子被扔掉,超市里賣相不佳的蘋果被丟棄,水果加工廠的下腳料堆積成山……這些富含糖分、維生素和礦物質的廢棄水果,常因腐爛變質成為環(huán)境負擔。在全球范圍內(nèi),每年有大量水果被浪費、損耗。
然而,在中國農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所,科學家們成功將這類看似無用的廢棄水果,通過發(fā)酵轉化成守護植物健康的“生物農(nóng)藥”——天然抗菌物質伊快霉素。這項發(fā)表在《工業(yè)作物與產(chǎn)品》的成果,不僅為解決水果浪費難題提供了新思路,更開創(chuàng)了綠色農(nóng)藥生產(chǎn)的新路徑。
一個奇思妙想的誕生
故事還得從實驗室的一次研究發(fā)現(xiàn)說起。
“我們在研究中發(fā)現(xiàn),木賊鐮刀菌D39發(fā)酵產(chǎn)生的伊快霉素對多種植物病原真菌有顯著抑制作用,并且固體發(fā)酵產(chǎn)量很大,具備產(chǎn)業(yè)化的前景?!眻F隊成員趙棟霖介紹,這令研究人員驚喜不已。
研究團隊在后續(xù)準備田間試驗的時候發(fā)現(xiàn),運用固體發(fā)酵提取工藝復雜,難以進行大規(guī)模生產(chǎn)。液體發(fā)酵,作為工業(yè)化更常見的方法,自然成了團隊的下一個嘗試。問題隨之而來——液體發(fā)酵需要大量碳源,比如葡萄糖、果糖,而這些原材料成本不低。
這時,一個大膽的設想冒了出來——
“水果中不就含有豐富的糖類物質?是否可以用廢棄水果提取液作為發(fā)酵原料,來生產(chǎn)伊快霉素?”
說干就干,研究人員從最常見的廢棄水果——蘋果入手。他們提取了廢棄蘋果中的糖類和淀粉,制成蘋果提取液,嘗試替代傳統(tǒng)的液體培養(yǎng)基進行微生物發(fā)酵。
實驗證明,當這些“天然營養(yǎng)液”加入發(fā)酵罐后,木賊鐮刀菌D39如同獲得“能量補給”,生產(chǎn)伊快霉素的效率大幅提升。數(shù)據(jù)顯示,使用廢棄蘋果提取液作為培養(yǎng)基時,伊快霉素產(chǎn)量達到20.8毫克/升,不僅接近傳統(tǒng)培養(yǎng)基的產(chǎn)量,更將原料成本降低了60% 以上。這種“變廢為寶”的模式,讓每噸廢棄水果都能轉化為具有經(jīng)濟價值的生物農(nóng)藥原料。
為什么廢棄蘋果提取液能高效促進伊快霉素生產(chǎn)?科學家們揭開了其中的奧秘——提取液中的果糖和淀粉扮演了關鍵角色。
據(jù)團隊負責人張成省介紹,果糖能直接參與微生物代謝,不僅提供了發(fā)酵所需的能量和碳源,還能激活伊快霉素合成途徑中關鍵酶的活性,提升合成效率;而淀粉則是伊快霉素合成過程中不可缺少的原料,確保整個生物合成順利進行。
有趣的是,實驗發(fā)現(xiàn),并非所有糖類都能促進伊快霉素生產(chǎn),例如,蔗糖反而會抑制其合成——這可能是因為蔗糖的代謝路徑與伊快霉素合成存在“資源競爭”。這種選擇性代謝的發(fā)現(xiàn),為優(yōu)化發(fā)酵工藝提供了精準方向。
實現(xiàn)環(huán)保與經(jīng)濟雙重效益
伊快霉素之所以讓人如此期待,不僅是因為它來源天然、產(chǎn)量可觀,更因為它擁有目前化學農(nóng)藥所不具備的新特性。
趙棟霖介紹,伊快霉素可以直接由微生物發(fā)酵獲得,不必經(jīng)過復雜的化學合成和結構修飾等,因此在成本和環(huán)保等方面具有顯著的優(yōu)勢。同時,伊快霉素從結構上屬于聚酮合酶—非核糖體肽類化合物,“目前的殺菌劑沒有這類結構,我們也通過研究發(fā)現(xiàn)這類化合物具有全新的抗菌靶點,因此不會具有抗藥性?!壁w棟霖說。
這項研究的意義并不止于廢棄水果利用。據(jù)團隊首席科學家李義強介紹,目前,伊快霉素已在葡萄和煙草灰霉病、小麥赤霉病、稻瘟病等作物病害防治中展現(xiàn)出良好效果,田間試驗顯示其對部分病害防效可達70%以上,接近化學農(nóng)藥水平。更為重要的是,該研究將食品加工過程中產(chǎn)生的廢棄物作為發(fā)酵底料,既有利于資源循環(huán)利用,也顯著降低了生產(chǎn)成本,實現(xiàn)了環(huán)保與經(jīng)濟效益的雙重提升。
“它可能成為一個全新靶標的天然產(chǎn)物農(nóng)藥?!崩盍x強說,“目前天然產(chǎn)物農(nóng)藥大多是經(jīng)過化學結構修飾后的產(chǎn)物,而伊快霉素可直接通過微生物發(fā)酵,并具有不同于現(xiàn)有殺菌劑的新型靶標。近年來,我國涌現(xiàn)了幾十種新穎的綠色農(nóng)藥,已成為世界上為數(shù)不多的具有新農(nóng)藥創(chuàng)制能力的國家,但在原創(chuàng)性分子和靶標研究方面,我國仍有落后之處。如果伊快霉素能被推廣,能夠減少生產(chǎn)中的環(huán)境污染,降低農(nóng)藥殘留,推進化學農(nóng)藥減量增效。新靶標農(nóng)藥屬于新質生產(chǎn)力,能夠提升我國在國際上新農(nóng)藥創(chuàng)制的地位,增強國際競爭力?!?/p>
翻過科研路上“兩座大山”
科研從來不是坦途,而是一次次與未知的較量。
回憶起這項研究的過程,團隊成員感慨最多的,是兩座“攔路大山”。
第一座山,是伊快霉素本身的復雜結構。它并不是一種單一的化合物,而是一群差向異構體的“大家族”。要想逐個拆解、分離、純化這些成員,不僅耗時耗力,而且對設備和技術要求極高。
“后來我們換了個思路。”有成員回憶道,“與其一味追求分離每一種單體,不如先看看這個‘組合拳’在田間是不是有效?!庇谑?,他們放棄了對單一結構的執(zhí)念,轉向探索整個混合物的生物活性。這一策略的調整,成為推動進程的重要一步。
第二座山,則是對伊快霉素作用機制的研究。作為一種全新靶點的殺菌劑,它不像傳統(tǒng)農(nóng)藥那樣,能輕松找到“它攻擊的是哪個部位”。團隊不得不在蛋白表達、結構建模、靶標篩選等多個環(huán)節(jié)中反復試錯,每一步都仿佛在黑暗中摸索。
“幸運的是,我們不是孤軍奮戰(zhàn)?!睆埑墒≌f,“我們團隊在菌株篩選、發(fā)酵優(yōu)化、生物合成調控、結構挖掘、靶標解析和效果評價等方面都有明確的分工,遇到困難不斷求助相關領域的專家。很多專家也給予了我們很大幫助?!?/p>
研究團隊透露,他們正在與農(nóng)藥企業(yè)合作,開發(fā)伊快霉素的制劑產(chǎn)品。未來,果園修剪的殘次果、超市淘汰的水果,都可能成為生產(chǎn)生物農(nóng)藥的原料,形成“水果種植—加工—廢棄物利用—農(nóng)業(yè)保護”的閉環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。這種模式如果推廣開來,預計每年可消化數(shù)百萬噸廢棄水果,減少數(shù)千萬噸碳排放,同時為農(nóng)民提供更安全的植物保護選擇。(周姝蕓)