劳伦斯伯克利实验室开发“骨酵母”平台，低成本合成高价值产品

全球每年约产生 5000 亿升人类尿液，这些“液态废物”中蕴藏着巨大的资源潜力——它们含有城市废水中 70% 的氮和 50% 的磷，但传统回收工艺只能将其转化为低价值肥料，每吨售价不足 400 美元。如何让尿液回收“有利可图”，成为推动可持续水处理的关键难题。

为解决这些问题，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，题为“Cost-effective urine recycling enabled by a synthetic osteoyeast platform for production of hydroxyapatite”。团队受到成骨细胞生物学机制的启发，开发出一种名为“骨酵母”（osteoyeast）的合成酵母平台，成功将尿液直接转化为高附加值的医用材料羟基磷灰石（HAp）。HAp 广泛用于骨科、口腔护理和整形外科应用，以及考古材料的修复和保护。

HAp 这种生物矿物是人体骨骼和牙齿的主要成分，广泛应用于骨科植入物、牙科填充剂等领域，市场价格高达每千克 80 美元以上。研究显示，该技术不仅实现了 1.1 g/L 的 HAp 量产，更通过技术经济分析证明其生产成本可低至 18.8 美元/千克，为废水处理领域带来“变废为宝”的革命性解决方案。

成骨细胞构建骨骼的精密过程启发了研究团队。在人体内，这些细胞通过液泡积累钙磷形成无定形前体（ACP），再通过细胞外囊泡将其运输到特定位置结晶成 HAp。研究团队大胆设想：能否在微生物中重建这一过程？他们选择了耐酸性突出的酿酒酵母——布拉酵母菌（Saccharomyces boulardii）作为底盘细胞。研究团队过表达尿素分解酶（DUR1/2）和尿素转运蛋白（DUR3），将尿液中的尿素快速转化为氨，显著提升胞内 pH 值；其次，激活液泡膜上的钙离子泵（Vcx1），驱动钙离子逆浓度梯度富集。改造后的酵母液泡能在 48 小时内将钙浓度提升至环境水平的 20 倍。

荧光显微镜下，携带红色荧光标记的工程菌株 SB825 显示出强烈的钙信号聚集；透射电镜（TEM）进一步捕捉到细胞液泡内充满无定形磷酸钙颗粒，而细胞外散布着典型的 HAp 晶体。通过X射线衍射比对，合成产物与天然骨矿物显示出高度一致的晶体结构，这标志着微生物合成 HAp 首次达到生物相容性材料的品质标准。

研究人员开发了荧光-电镜联用技术，实现了细胞外囊泡（EVs）的动态追踪，这是首次实时观测到直径 20-150 纳米的囊泡从酵母细胞分泌、融合，最终释放 HAp 晶体的全过程。有趣的是，这一结晶过程在 pH 5.2 的弱酸性环境中即可启动，远低于传统化学法所需的 pH 10-11。研究推测，囊泡膜上的生物大分子可能充当了结晶模板，这为仿生材料合成提供了新思路。

在尿液直接转化实验中，通过向人尿中添加适量钙离子（10-50 mM），骨酵母在 5 天内即可消耗 85% 的钙资源。当接种密度提升至 OD 为 0.15 时，HAp 产量达到 1.1g/L，经干燥处理后获得白色粉末状产物。电子衍射分析确认这些粉末具有标准 HAp 的晶体特征，且纯度满足工业级应用需求。

研究团队进一步构建了城市级技术经济模型：在旧金山等人口密集区部署分布式反应器，每年可处理万人规模产生的尿液，生产 65 吨 HAp。成本核算显示，即使考虑菌种培养、物流运输等全链条开支，HAp 生产成本中位数仅为 18.8 美元/千克，较市场价降低 76%。若与现有氮回收技术联用，系统利润率可进一步提升，彻底改变废水处理“赔钱减排”的传统模式。

这项研究的突破性不仅在于技术指标——它首次证明了微生物平台能够复刻高等生物的复杂矿化通路，揭示了从酵母液泡到人类骨骼间深层的演化关联。更关键的是，它为解决资源回收的经济悖论提供了范例：通过生物制造将废物转化为高端材料，让环保行动自带盈利基因。

当然，当前技术仍存在优化空间。尿液中的理论 HAp 产率可达 60-90 mM，而实际产量仅为 4 mM，提示钙磷代谢通量、囊泡分泌效率等环节仍需改进。研究团队计划通过定向进化、跨物种基因移植等策略，打造更强大的“2.0 版骨酵母”。未来，这种平台或可延伸至重金属吸附、环保建材等领域，为循环经济提供核心生物技术支撑。当合成生物学遇见环境工程，人类正在改写“废物”的定义。这项研究告诉我们：最珍贵的资源，或许就藏在我们的下水道里。

1.Müller, I.E., Lin, A.Y.W., Otani, Y. et al. Cost-effective urine recycling enabled by a synthetic osteoyeast platform for production of hydroxyapatite. Nat Commun 16, 4216 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59416-8

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