在思考如何建设一个可持续的环境时，回收——即重新利用曾经被视为废物的物品——是一个关键机制。虽然“人类排泄物”的再利用可能会让一些人皱眉，但尿液因其富含氮和磷等营养物质而长期以来受到关注。然而，将其用作肥料并未普及，主要是因为这些营养物质本身就已经廉价且充足。因此，研究人员正将注意力转向其他可能性。
受骨骼形成细胞生物学的启发，加州大学欧文分校的科学家们与美国和日本的合作者一起，发现了一种利用尿液中的化学物质尿素来制造羟基磷灰石的新方法。羟基磷灰石是一种有价值的矿物质，具有广泛的用途。
他们的研究发表在《Nature Communications》杂志上，概述了从骨骼和牙科植入物到考古修复、可生物降解塑料替代品甚至建筑材料的潜在应用。简而言之，他们找到了一种将人类废物转化为可持续的高价值资源的方法。
羟基磷灰石存在于牙齿和骨骼中
羟基磷灰石 (HAp) 是一种天然矿物质，存在于人类的牙齿和骨骼中，由成骨细胞产生，成骨细胞会浓缩钙和磷酸盐来生长和维持我们的骨骼系统。
在人体之外，HAp 因其强度和生物相容性而备受推崇。它的应用范围从医疗植入物到土壤处理、水净化，甚至是热绝缘。然而，通过培养成骨细胞的自然方式生产 HAp 无法满足大规模工业生产的需求。虽然合成方法已经存在，但许多方法需要高温或昂贵的工艺才能生产。这时，合成生物学和回收利用就派上用场了。
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从人类尿液中提取
为了模仿 HAp 形成的复杂过程，研究人员设计了一个名为“骨酵母”的合成酵母平台。通过喂食从人类尿液中提取的尿素，酵母会引发一系列生物化学反应，最终分泌出结晶状的羟基磷灰石，就像成骨细胞一样。
“这个过程同时实现了两个目标，”共同作者、加州大学欧文分校材料科学与工程学教授 David Kisailus 在一份新闻稿中说。“一方面，它有助于从废水流中去除人类尿液，减轻环境污染和不必要的营养物质堆积；另一方面，它生产出一种可以用于各种场合的商业化材料。”
该过程效率惊人。据团队称，他们每升尿液可以生产高达一克的羟基磷灰石，而且只需不到一天的时间。
“事实是，它使用酵母作为载体，酵母成本低廉，并且可以在相对较低的温度下放置在大发酵罐中——想想通过发酵过程生产出来的啤酒，它的规模化程度很高——这表明这个过程可以很容易地实现，而无需重大的基础设施投入，而且这还有助于让发展中国家也能负担得起，”Kisailus 补充道。
从废物到资源
通过这种方式生产的羟基磷灰石具有重量轻、坚韧、耐用的特点，这些特性不仅使其适用于植入物和修复工作，而且还可能成为石油基塑料和其他建筑材料的有前途的替代品。
“我们目前正在开发策略，利用 [来自劳伦斯伯克利实验室的 Yasuo Yoshikuni] 的酵母平台以及我们的 3D 打印和结构知识来制造多功能工程材料，”Kisailus 说。
如果该过程能够以经济有效的方式规模化，其环境影响将是巨大的：减少对塑料的依赖，降低能源成本，并为我们日常冲掉的废物开辟新的生命。
这项研究标志着向可持续生物制造和更智能的资源回收迈出了重要一步。通过将日常的废物转化为具有重要工业和生态价值的材料，科学家们证明了没有任何东西应该是被浪费的。
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美国化学学会： 尿素
Nature Communications： 利用合成骨酵母平台经济高效地回收尿液以生产羟基磷灰石
