尿液的资源化利用研究新进展

诸平

人类尿液形成是血液流经肾小球时，血液中的尿酸、尿素、水、无机盐和葡萄糖等物质通过肾小球的滤过作用，过滤到肾小囊中，形成原尿。当原尿流经肾小管时，原尿中对人体有用的全部葡萄糖、大部分水和部分无机盐，被肾小管重新吸收，回到肾小管周围毛细血管的血液里。原尿经过肾小管的重吸收作用，剩下的水和无机盐、尿素和尿酸等就形成了尿液。肾小管形成的尿液经肾乳头到达肾髓质，肾髓质连输尿管到达膀胱，最后经尿道排出体外。提到尿液的资源化利用，人们可能首先想到的是作为肥料供农田使用，除此之外，尿的药用使用历史久远，男童尿液作为药引就是例证。古罗马时代，尿液就被广泛用来漂白牙齿，这种方式延续至今。是因为尿液中含有尿素，尿素分解会产生氨气，氨气的用处十分广泛，制作抗菌剂，清洁剂，还有漂白功效。从健康者的新鲜尿液中分离尿激酶（Urokinase），主要用于血栓栓塞性疾病的溶栓治疗。男性不育可以通过尿液进行诊断；女性怀孕通过尿液进行诊断，直到20世纪60年代，最可靠的验孕方法依旧是提取女性尿液，然后注射进“非洲爪蟾”体内。这种方法源于20世纪30年代，是一位名叫Lancelot Hogben的科学家发现的，他能用公牛激素控制青蛙排卵。选择爪蟾是因为它可以全年产卵，不像其他动物只能季节性产卵，需要等候太长时间。所以爪蟾被海运到全球各地的实验室，科学家将女性尿液注射进爪蟾的背部淋巴囊，等候12h。如果爪蟾有排卵迹象，这就表示该女性怀孕了，因为她的尿液里含有人体绒毛膜促性腺激素。这种试验就以科学家Lancelot Hogben的名字命名，被称为Hogben试验。有些养生人群坚信每日饮尿可排毒，这可能是一种误解，因为不能保证尿液无菌。尿液很有可能引发一场前所未有的改革风暴，成为汽车燃料或者其他资源再生能源。这是由一位美国俄亥俄州的科学家Gerardine Botte想到的(Chem. Commun. DOI:  10.1039/b905974a)，很有独创性。 Botte研发出电解器，它仅用一个5号电池少半的电量即可将尿液中的氢分离出来，作为汽车燃料。过去将氢作为一种再生资源，需耗费很多能源生产。从水中分离氢需要电压1.23伏，而从尿液中分离氢仅需要电压0.37伏。这个想法的可实施性很大，Botte说，“我相信在一年之内，我们的汽车就可以用尿代替燃料，4升可行驶60英里。”

总之，尽管尿液中水是主要成分，约占95%以上，但是也含有蛋白质（微量）、葡萄糖（0.1%）、尿素（0.03 %）、尿酸（0.004%）以及无机盐（0.9%）等。之前，也写过“人尿代谢物发现3000余种并非最终结果”的博文。如何对于尿液进行综合利用，今天介绍南非开普敦大学(University of Cape Town，UCT）的最新研究成果，利用人尿来制生物砖。

据2018年10月26日来自开普敦大学(University of Cape Town，UCT）的消息报道，世界上首例生物砖是用人尿制成的，图1就是开普敦大学(UCT)提供的照片。图片从左起分别是UCT土木工程系的 Dyllon Randall博士(Dr Dyllon Randall)和他的学生Vukheta Mukhari和Suzanne Lambert。

Fig. 1 The world’s first bio-brick made using human urine was unveiled at UCT this week. In picture are (from left) the Department of Civil Engineering’s Dr Dyllon Randall and his students,Vukheta Mukhari and Suzanne Lambert. Credit: University of Cape Tow 

开普敦大学(UCT)对外公布了该校土木工程硕士学生苏珊·兰伯特（Suzanne Lambert）利用人尿制成了世界上首例生物砖（bio-brick），这标志着在废物回收方面创新模式转变的又一范例。创建的这款生物砖是通过被称为微生物碳酸盐沉淀的自然过程而形成，此过程与贝壳的形成方式有些相似,兰伯特的导师、水质工程高级讲师Dyllon Randall博士说。

在这种情况下,疏松砂岩与产生尿素酶（urease）的细菌发生反应。尿素酶也称为脲酶，它会使尿液中的尿素分解，通过一个复杂的化学反应而生产碳酸钙。此胶黏物使砂凝结在一起形成任何形状,无论它是一个坚实的圆柱体,或者是现在通用的矩形建筑砖。

在过去的几个月里兰伯特和土木工程荣誉生Vukheta Mukhari一直在实验室努力工作，测试各种生物砖形状和抗拉强度，旨在产生一种创新建筑材料。Vukheta Mukhari也同时接受土木工程系Hans Beushausen教授的指导，并协助测试产品。传统的砖块需要燃煤进行高温焙烧（1400℃左右），不仅造成能源浪费，而且污染环境，释放大量的CO₂,导致气候变暖。而生物砖的研发，在室温下利用模具制造无疑对于保护环境、节省能源是一个利好消息。

生物砖的强度取决于客户的需求。兰德尔说：“如果客户想要的砖强度超过石灰岩砖（limestone brick）强度的40%,只需要延长细菌‘生长’时间，即可使生物砖变得更加坚固。时间越长,让小细菌生产更多的水泥,砖产品就会越强，这一过程是可以优化的。”

基础性的研究

用尿液制砖并非新主意，在几年前美国就有使用合成溶液制砖的试验。但是，兰伯特的制砖过程是首次使用了真正的人类尿液,对于废物回收循环和升级利用产生了重要影响。她的工作是建立在2017年Dyllon Randall博士和一位瑞士学生Jules Henze共同潜心研究四个月的基础上。Dyllon Randall博士说：“这就是我喜欢的研究。你的研究是以其他人的研究工作为基础的。”

化肥作为副产品

此外,生物砖制作过程产生的副产品氮和钾,它们都是商业化肥的重要组成部分。据Dyllon Randall博士介绍，他认为从化学上来讲，尿液本身就是液体黄金。按照体积计算，尿液所占体积不足废水的1%,但此废水含有了80%的氮,56%的磷和63%的钾。尿液中约97%的磷可转化为磷酸钙,而磷酸钙全球商业农用化肥的主要成分。尿液中磷资源的利用是很重要的,因为世界将面临天然磷酸盐储备的枯竭。

“零费物”（Zero waste）

生物砖的生产过程中，化肥生产仅仅是阶段性过程的一部分。首先,将尿液收集在一个可以产生化肥的新式小便器，用于制造固体肥料。然后再将剩余的液体用于生物处理以便制作生物砖。

”但在这个过程中,我们只有两种成分即碳酸根离子和钙用于制作生物砖。最后把制作生物砖之后剩下的液体产品用于第二个过程即化肥生产,”他解释道。整体方案有效地利用使尿液成为零费物,将其完全转换成3个有用的产品。“没有人注视其整个循环周期和潜在回收多个有价值的产品。接下来的问题是如何以一种优化的方式,从尿液中获得利润。”

还有后勤工作要考虑;尿液的收集和运输以便回收利用。Dyllon Randall博士在最近的一篇关于尿液的综述性论文中，对此有专门的讨论。他的另一位硕士研究生正在调查尿液收集的运输物流问题。

社会认可是另一个考虑因素。在生物砖揭幕之前,学生对其创新研究和可持续发展的潜在空间表示乐观。但是，也有一些实际问题需要面对。“目前我们只处理从男小便池收集的尿液，因为这是社会可以接受的。但是另外一半的人口（女性）尿液的收集如何解决呢?依然是一个需要面对的难题。”Dyllon Randall博士说：”这个项目在过去一年半一时间内，一直是我生活中巨大的一部分。在现实的生活中我看到了此工艺应用的潜力，但是，我不能等待世间万事俱备再动手，先下手为强会更好些。”

“从事这个项目的研究工作一直是一个另人大开眼界的经历。鉴于开普敦大学对此研究取得的进展,创建一个真正可持续的建筑材料现在不是没有可能,”Vukheta Mukhari补充道。

Dyllon Randall博士说此研究工作是创建一种如何看待废物和废物的回收再利用的转换新范式。他说：“在这个例子中你被认为是一种废物的东西,可以由此衍生出多个产品。也可以对任何废物流使用相同工艺，这就是我们要反思的问题。”更多信息请注意浏览相关报道：

Nutrient recovery from biowaste for mineral fertiliser production 

J. Henze, D. G. Randall. Microbial induced calcium carbonate precipitation at elevated pH values (>11) using Sporosarcina pasteurii. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2018, 6(4): 5008-5013. August 2018, Pages. DOI: 10.1016/j.jece.2018.07.046

C.  P. Flanagan, D. G. Randall. Development of a novel nutrient recovery urinal for on-site fertilizer production. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2018, 6(5): 6344-6350. October 2018. DOI: 10.1016/j.jece.2018.09.060

D. G. Randall, V. Naidoo. Urine: The liquid gold of wastewater. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2018, 6(2): 2627-2635. April 2018, DOI: 10.1016/j.jece.2018.04.012