科學通報 | 西安交大費強教授團隊綜述生物轉化甲烷制備微生物蛋白研究進展

近日，西安交通大學費強教授團隊在《科學通報》發(fā)表了題為“生物轉化甲烷制備微生物蛋白的機遇與挑戰(zhàn)”的綜述文章，系統(tǒng)梳理生物轉化甲烷制備微生物蛋白領域的最新研究成果。該綜述緊扣我國分散式甲烷資源特性，深度剖析嗜甲烷菌轉化甲烷合成高附加值產(chǎn)品的應用潛力，明確甲烷基微生物蛋白的營養(yǎng)功能價值，創(chuàng)新性提出合成生物學改造嗜甲烷菌以實現(xiàn)“定制化蛋白”的技術策略，并針對產(chǎn)業(yè)化核心瓶頸給出解決方案，為技術落地、助力可持續(xù)發(fā)展及保障糧食安全提供關鍵學術支撐。

作為一種溫室氣體，甲烷在我國兼具“排放壓力”與“資源潛力”——我國不僅是甲烷排放大國，更擁有儲量可觀的分散式甲烷資源，涵蓋煤層氣、零散頁巖氣、沼氣等。這類資源單體規(guī)模小、總量龐大，但卻長期面臨“利用低效”的困境：當前分散式甲烷多局限于燃燒聯(lián)產(chǎn)熱電，不僅附加值低，更造成碳資源浪費；零散頁巖氣雖可轉化為液化天然氣或壓縮天然氣運輸，但其綜合成本遠高于管道氣，經(jīng)濟競爭力薄弱；沼氣則因產(chǎn)量波動大，僅能滿足周邊自用，資源價值未被充分挖掘。與此同時，我國蛋白飼料原料供給面臨嚴峻挑戰(zhàn)，大豆、魚粉等核心原料長期依賴進口，供需矛盾突出。在此背景下，“生物轉化甲烷制備微生物蛋白”技術脫穎而出，成為兼顧“碳捕集”與“蛋白自給”的創(chuàng)新路徑——既能破解分散式甲烷儲運難題，又能為養(yǎng)殖業(yè)提供新型優(yōu)質(zhì)蛋白原料，實現(xiàn)資源利用與產(chǎn)業(yè)升級的雙重效益（圖1）。

圖1 生物轉化分散式甲烷制備微生物蛋白及其在養(yǎng)殖業(yè)應用

文章指出，自然界中的嗜甲烷菌憑借其特有的甲烷單加氧酶催化體系，可利用甲烷為唯一碳源生長并合成微生物蛋白，這一特性為技術研發(fā)奠定了生物學基礎。在甲烷基微生物蛋白的應用價值層面，文章通過數(shù)據(jù)與試驗驗證其核心優(yōu)勢：從營養(yǎng)價值看，該類微生物蛋白的必需氨基酸比例與生長育肥豬、帝王鮭等養(yǎng)殖動物的理想氨基酸需求高度契合，品質(zhì)可媲美傳統(tǒng)蛋白原料豆粕、魚粉；從功能特性看，其富含胞內(nèi)多糖、不飽和脂肪酸、磷脂等活性成分，在斷奶豬、斑點鱸魚等動物試驗中，攝入該蛋白的動物均出現(xiàn)腸道絨毛增寬、腸黏膜修復、炎癥反應減輕等積極現(xiàn)象，證實其具備防治動物腸道疾病的功效，為我國養(yǎng)殖業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了重要技術支撐。

面向產(chǎn)業(yè)升級需求，文章提出明確方向：隨著合成生物學技術的發(fā)展，甲烷基微生物蛋白需從“基礎營養(yǎng)供給”向“功能定制化”轉型升級。具體而言，可針對不同動物對飼料氨基酸配比的差異化需求，通過代謝工程策略定向強化賴氨酸、甲硫氨酸等必需氨基酸的合成；同時，通過過表達葡萄糖-1-磷酸腺苷轉移酶、阻斷多糖降解酶活性，可提升胞內(nèi)多糖含量；而強化硬脂酸合成、引入外源去飽和酶體系，則有望實現(xiàn)嗜甲烷菌對油酸、二十碳五烯酸等有益不飽和脂肪酸的高效合成，推動產(chǎn)品向“高附加值功能型”升級。

盡管前景廣闊，甲烷基微生物蛋白的工業(yè)化生產(chǎn)仍面臨多重現(xiàn)實挑戰(zhàn)。文章從“技術、平臺、機制、政策”四大維度提出建議：1）選育耐硫化氫等雜質(zhì)氣的高性能嗜甲烷菌株，同步開發(fā)適配分散式氣源的移動式生物轉化裝置；2）加快甲烷生物轉化中試平臺建設，降低企業(yè)技術轉化風險；3）深入解析菌種代謝機制，優(yōu)化蛋白定制策略，為技術升級提供理論支撐；4）推動飼料新原料審批流程整合，縮短審批周期，為產(chǎn)品入市掃清制度障礙。

文章最后強調(diào)，生物轉化甲烷制備微生物蛋白技術，既是實現(xiàn)碳捕集與資源化利用的創(chuàng)新路徑，也是破解我國蛋白飼料原料進口依賴、推動養(yǎng)殖業(yè)綠色轉型的關鍵抓手。未來，通過基礎研究與應用轉化的“雙輪驅動”，有望構建“甲烷資源化—蛋白高值化—農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展”的循環(huán)經(jīng)濟系統(tǒng)，為我國順利實現(xiàn)低碳綠色發(fā)展目標、筑牢糧食安全屏障注入強勁動力。

西安交通大學高子熹博士為第一作者，費強教授為通訊作者。本工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2023YFE0106600）和陜西省自然科學基礎研究計劃重點項目（2025JC-QYXQ-004）的支持。

文章信息

高子熹，費強。生物轉化甲烷制備微生物蛋白的機遇與挑戰(zhàn). 科學通報, 2025.

https://doi.org/10.1360/CSB-2025-5238

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