生物合成是以生物代谢方式合成所需分子，可以从根本上解决传统化学合成模式的高污染、高能耗问题，是解决日益增长的人口和物质需求、实现碳中和及可持续发展目标的新兴技术手段。然而，当前以粮食为原料的生物合成模式与人类日常粮食需求存在显著矛盾。如要贯通生物合成从原料到产品的全生命阶段，需寻找合适的非粮碳源，以减少粮食消耗。
近日，华东师范大学beat365与清华大学深圳国际研究生院、美国耶鲁大学、清华苏州环境创新研究院、苏州聚维元创生物科技有限公司、中国人民大学、加拿大英属哥伦比亚大学、清华大学、挪威科技大学等多家国际领军单位合作，提出了以可持续生物质原料（秸秆）为碳源的微藻生物合成商业化方案，该方案具备经济和环境可行性，打通了生物合成关键性的起始原料环节。该成果Microalgae Commercialization Using Renewable Lignocellulose Is Economically and Environmentally Viable，已于2023年1月在线发表于环境生态领域国际顶级期刊 Environmental Science & Technology。
微藻是最具前景的单细胞营养微生物，是蛋白质、脂肪酸等一系列重要生物产品的理想来源。由于户外光源的有限性和不可靠性，传统的光合培养模式，生物质产能较低且不稳定。以木质纤维素来源的葡萄糖碳源为原料异养培养微藻，可大幅提高微藻的生长速率和终端生物质密度，是一种成本收益可行且环境可持续的产藻途径。研究者通过技术经济分析（TEA）和全生命周期评价（LCA）手段，对光合培养和木质纤维素异养培养两种模式进行了经济和环境比较分析，评估了以纤维素水解液为介质的微藻异养生产模式（Cel-HC）的可行性。估算了Cel-HC模式在年生物质产量干重为300t的预设条件下，生产高纯度微藻的最低可接受价格（MSP）为4722 USD/t，此价格相对传统光合跑道塘培养模式具有竞争力。该流程产出的木质素和木糖副产物可以进一步将MSP降低至2976 USD/t。同时，与光合系统相比，Cel-HC在诸如累计能耗（CED）、温室气体排放（GHG）等多方面具有较低的环境影响，展现出降碳潜力。
传统异养培养微藻的弊端在于碳源多为粮食葡萄糖，其使用价格昂贵且不可持续。而木质纤维素的来源广泛且供应稳定。将木质纤维素转化为碳源，可用于生物合成高价值产品。麦肯锡全球研究所估计，生物合成模式可以覆盖现有60%化学合成产品，并在持续拓展边界，可在未来几十年创造巨额价值。在“双碳”全球战略和可持续发展目标下，未来对于低成本且环境友好的木质纤维素碳源的需求将会迅速放大。研究者预计，以木质纤维素为碳源的生产技术，将有力推动生物合成产业的规模化、可持续发展。
华东师范大学beat365王铜博士与清华大学深圳国际研究生院王潇雄博士为论文的共同第一作者，美国工程院院士、耶鲁大学化学与环境工程系Menachem Elimelech教授，以及清华苏州环境创新研究院研发团队负责人、苏州聚维元创生物科技有限公司创始人张天元博士担任此文共同通讯作者。其他作者包括ES&T期刊现任主编、耶鲁大学环境学院学术事务资深副院长Julie Zimmerman 教授，联合国环境规划署国际资源委员会UNEP IRP 专家、欧洲气候变化科学咨询委员会专家Edgar Hertwich 教授等。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c04607
