微生物资源在生物炼制中的应用：藻类、真菌与细菌的现状与展望 | 彭博士工具屋

一图不看也要知道的几件事

• 全球每年产生约 13 亿吨木质纤维素生物质，仅约 3% 得到利用。
• 微藻固碳速率约为陆生作物的 4 倍，其干重一半为碳；异养培养时生物量通常低于 3 g/L。
• 微藻油脂经培养条件优化可达干重的 50–70%，布朗葡萄藻（Botryococcus braunii）含油量达 75% 干重。
• 代表性高脂藻株（油脂占干重）：B. braunii 25–75%、Chlorella spp. 28–32%、Crypthecodinium cohnii 20%、Dunaliella primolecta 23%、Isochrysis spp. 25–33%、Nannochloropsis spp. 31–68%、Nitzschia spp. 45–47%、Schizochytrium spp. 50–77%。
• 用于生物油生产的藻株：C. vulgaris 29.4%、Scenedesmus abundans 43.4%、Dunaliella salina 2–6%、Cyanidioschyzon merolae 59%、Nannochloropsis spp. 59%（占其总生物量）。
• 微藻产物举例：Scenedesmus almeriensis 叶黄素 3.2 mg/g；Dunaliella salina 总类胡萝卜素 102.5 mg/L、β-胡萝卜素占干重 10%；雨生红球藻虾青素最高占干重 5%；螺旋藻藻蓝蛋白占干重 25%；C. vulgaris 叶绿素约占干重 4.5%、蛋白约 60%。
• 真菌木质纤维素路线代表：黑曲霉以苹果渣（含 4% 甲醇）产柠檬酸 883 g/kg、以干无花果产葡萄糖酸 685 g/kg；Aspergillus terreus 在甜菜糖蜜上产衣康酸收率 70%。
• 真菌油脂：A. terreus 在葡萄糖上油脂占生物量 54.4%、油脂产率 3 g/L；M. isabellina 油脂占干重 86%；Trichosporon fermentans 总脂 62.4%、生物量 28.1 g/L。
• 细菌 PHA 代表：真氧产碱杆菌（Cupriavidus necator）可积累 PHA 达 70%，在植物油与废弃煎炸油上分别产 PHB 达 62.5% 与 36.5%；Burkholderia sacchari 在甘蔗渣上 PHA 占生物量 62%（工程菌 80%）；红螺菌产 PHA 达干重 45%。
• 细菌高值产物：工程乳酸片球菌（L. plantarum）降解生玉米淀粉产乳酸收率 85%；Actinobacillus succinogenes 产琥珀酸 35.6 g/L、大肠杆菌 58.3 g/L；C. necator 工程菌产 1,3-丁二醇 3 g/L，生长效率提高 93.4%、PHB 积累提高 74.7%。
• 光合细菌（紫色非硫菌）被列为细菌生物炼制平台：淡水 Rhodobacter sphaeroides、Rhodospirillum rubrum、Rhodopseudomonas palustris 与海洋 Rhodovulum sulfidophilum 可同时利用 CO2 与 CO 合成高值产物。
• 系统成本结构：生物炼制总成本约 40% 用于收获环节；常规石化路线净能耗比生物质/微生物路线低 60–150%。
• 生命周期与经济性：微藻 + 麻疯树整合炼制可在 3.3 年全额回收初始投资，生物质生产叠加养分植物修复的收益约 172.4 美元/吨生物质；利用废弃甘油产丙酸可使温室气体减排 60%。
• 据 IEA Bioenergy 2022 报告，已有 42 个国家建有中试或商业规模生物炼制厂；澳大利亚 Sarina Biorefinery Mackay 以糖蜜为原料年产乙醇 6000 万升。

研究背景与要解决的问题

人类对化石能源与日用品的过度依赖既威胁供应安全，又造成环境污染；在“生物炼制”概念下转化可再生资源、发展绿色技术，是环境可持续性的新范式。IEA Bioenergy Task 42 将生物炼制定义为以经济、社会可接受且环境可持续的方式，把生物质转化为多种可上市产品与能源的上中下游一体化设施。

微生物生物炼制具有非农用地培养、不受气候与时间限制、收获周期短、环境负荷低、完全可生物降解等优势，可利用环境 CO2、木质纤维素废弃物、工业与市政废物作为原料；约 13 亿吨/年的木质纤维素生物质中仅有 3% 被利用，潜力巨大。

除生物燃料（生物柴油、生物氢、生物乙醇、沼气）外，微生物还可产类胡萝卜素、脂质、色素、氨基酸、蛋白等高值代谢物，以及生物聚合物与平台化学品；微生物单位面积产油能力可达常规陆生作物的 15–300 倍。

然而微生物基产品成本高企是商业化的主要障碍；单一产物模式的可持续性与经济性不足，集成低成本原料与多产物联产是破解路径。现有综述多聚焦单一微生物类群，缺乏对藻、真菌、细菌三类资源定位与整体贡献的系统比较。

概念与技术边界

体系与方法

主要结果（原文图表逐条解读）

图示信息：环形示意图，中心为“Benefits of circular bio economy”，三个环节框以蓝色弧形箭头首尾相接：经济效益（新生物基产品需求、经济福利、包容性增长、新就业机会、智能创新加工）、环境效益（可再生资源使用、减缓气候变化、释放微生物与海洋资源潜力、更少排放）、社会效益（新就业机会、负责任发展、政策制定与合规、人类发展指数、粮食与营养、最优土地利用）。

论文结果：示意图把循环生物经济的收益归纳为经济、环境、社会三类并形成闭环，说明生物炼制同时承载减碳、资源循环与社会发展目标。

研究意义：为微生物生物炼制提供价值定位：以可再生碳源替代化石碳，同时兼顾就业、粮食与土地利用，是政策与投资评估的框架性依据。

图示信息：流程图：原料为木质纤维素生物质与未处理废弃物、生活污水；进入绿色框“主要微生物参与者”（真菌、细菌、微藻），上方以灰色弧形箭头表示 CO2 循环；下接蓝色层“所涉生物过程”（发酵、酶解、厌氧消化、酯交换）；红色箭头指向“初级产物（粗混合物）”（可发酵糖、脂肪酸、沼气、生物乙醇、生物柴油）；经“分离或生物分馏”得到“次级产物”（色素、胺类、生物甲烷、生物乙醇、丁二醇、有机酸、烷烃、生物氢、生物电）；最终流向制药与化妆品、食品与营养品、饲料、石油四大终端行业；外侧蓝色大回路把 CO2 与工业废物送回微生物环节。

论文结果：框架显示真菌、细菌与微藻三类微生物对应不同生物过程，可产出从燃料到色素、有机酸、生物电的十余类产品，并通过 CO2 与废物回路实现闭环。

研究意义：该图明确了三类微生物在生物炼制中的分工与产品流向，是理解“原料—微生物—过程—产品—行业”整合逻辑的核心框架。

机制小结

• 自养微藻通过光合作用固定 CO2 生成生物量，并在温度、光照、pH 与盐度胁迫下将脂肪酸代谢导向三酰甘油（TAGs）合成与积累，经酯交换转化为脂肪酸甲酯（生物柴油）。
• 真菌通过分泌纤维素酶、半纤维素酶与氧化酶等木质纤维素降解酶系，把多糖水解为可发酵糖，再经发酵生成乙醇、有机酸等；丝状真菌在利用木糖、阿拉伯糖等五碳糖上具独特优势。
• 细菌依托代谢途径清晰、遗传可操作性强，被改造为合成生物学“底盘/涡轮细胞”，把废弃物衍生糖或有机酸高效转化为 PHA、醇类与平台化学品。
• 三类微生物可通过共培养与整合级联实现协同：如真菌与微藻共培养可提高生物量与脂质产量，光合细菌可利用 CO2 与 CO 作为碳源。

工程与产业含义

• 成本瓶颈集中在收获与下游处理：约 40% 的生物炼制总成本用于收获，采用絮凝、细胞破碎与超声/微波/脉冲电场/超临界流体等强化提取可显著降本。
• 多产物联产与顺序级联提取是提升经济性的核心策略，单一产物模式难以实现可持续与盈利；集成低成本废弃原料与副产物（甘油、废生物量）可将利润空间提高约 60%。
• 常规石化路线净能耗比生物质/微生物路线低 60–150%，但生物质路线 CO2 排放可低约 50%，减排与循环属性是其政策价值所在。
• 工程化需要底盘细胞与极端酶体系的整体构建：单一天热稳定酶可能扰乱酶组装体功能，需发展整套热稳定酶系统与适配底盘。
• 已建成中试到商业规模装置的国家达 42 个，说明微生物炼制在部分产品上已跨越示范阶段，但多数仍处实验室或早期开发。

适用与不适用场景

局限与不确定性

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

来源与链接

• 原文（Heliyon, 2024, 10:e28615） — https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e28615