综述：利用二氧化碳生物制造聚羟基烷酸酯：对自养系统和混合系统在技术进展、面临的挑战及解决方案方面的全面综述

《Biotechnology Advances》：Biomanufacturing polyhydroxyalkanoates from CO 2: A critical review of advances, challenges, and solutions for autotrophic and hybrid systems

二氧化碳生物转化路径及工艺优化策略。

　　

吴书彤|郑晓川|陈川|孙中芳|吴凯凯|邢德峰|杨珊珊|王爱杰|任楠琪|赵雷

中国哈尔滨工业大学环境学院城乡水资源与环境国家重点实验室，哈尔滨 150090

摘要

将二氧化碳（CO₂）生物转化为聚羟基烷酸酯（PHAs）在气候缓解和可持续制造领域代表着一种变革性的范式，为将温室气体（GHG）这一负担转化为高价值、可生物降解的聚合物提供了途径。本综述系统地分析了CO₂转化为PHA的技术现状，比较了两种主要策略：直接的单微生物自养途径和模块化的两步混合系统，后者将非生物CO₂还原与微生物发酵相结合。虽然直接自养过程在概念上较为简单，但其性能存在显著差异：光自养菌通常受到光照限制，体积产率较低（<10 mg L^?1 h^?1），而优化的化能自养系统（例如）的产率可高达1.55 g L^?1 h^?1。相比之下，两步混合系统通过将CO₂活化与生物合成分离，显示出更大的潜力。然而，目前的集成平台产率仍仅达到毫克级别（例如<25 mg L^?1 h^?1）。所有平台都存在关键瓶颈，包括气液传质效率低（k_La值低）、催化剂稳定性差（使用寿命<100小时）以及下游分离过程能耗高。目前生产成本（3–8美元/千克）远高于经济阈值。未来的发展需要围绕三个关键支柱制定战略路线图：通过合成生物学实现动态代谢控制、利用先进反应器工程强化工艺过程，以及进行整体系统集成。这些学科的成功融合，结合稳健的技术经济框架和生命周期评估，对于将CO₂转化为PHA的生物转化技术从有前景的概念转变为循环生物经济的基石至关重要。

引言

缓解塑料污染和温室气体排放相互交织的危机需要能够同时实现可持续材料生产和碳利用的变革性技术（Ray等人，2023年；Zong等人，2025年）。目前全球年塑料产量超过4亿吨，但仅有约9%被回收。如果不加以控制，到2040年塑料相关排放预计将占全球温室气体总排放量的约19%（Houssini等人，2025年；Ninan，2024年）。可生物降解的PHA作为一种替代品，结合了理想的材料性能和环境可持续性（Palmeiro-Sánchez等人，2022年；Park等人，2024a年）。

受此需求推动，全球PHA市场预计将以12.2%的复合年增长率增长，到2033年将达到3.892亿美元。然而，高昂的生产成本阻碍了其广泛商业化。目前PHA的成本在每千克2.6至7.6美元之间（Dalton等人，2022年；Pradhan等人，2024年），是PET和PP等主流石油基塑料（约1美元/千克）的2至7倍（Pan等人，2025年）。这一经济限制主要归因于对昂贵原料（如精制糖和植物油）的依赖，这些原料占总运营成本的约50%（Zytner等人，2023年）。尽管低成本有机废物提供了潜在的替代方案，但原料的异质性和复杂的预处理过程仍阻碍了其经济可行性。

与此同时，2024年全球温室气体排放量达到了创纪录的53.2 Gt CO₂当量（Houssini等人，2025年）。全球雄心勃勃的脱碳目标正在加速碳捕获与利用（CCU）技术的发展（Hao等人，2025年；Wei等人，2021年）。这一趋势为利用捕获的CO₂作为微生物PHA生产的直接、可持续且丰富的原料提供了有力支持。然而，将CO₂转化为PHA的生物转化从概念上的可能性转化为商业现实仍面临多个关键瓶颈，包括：（1）大多数自养微生物的CO₂固定速率较低（Hutchins等人，2009年），（2）在CO₂受限条件下PHA在细胞内的积累不足（Koller和Braunegg，2022年），（3）对代谢通量的理解有限（Park等人，2024a年），以及（4）能耗较高的处理要求（Adamu等人，2020年）。

尽管直接自养途径和两步混合系统都已被验证，但两者之间的系统性和定量比较仍缺乏。特别是关于生产性能、能源效率和可扩展性的比较数据分散且不完整。这一知识空白阻碍了未来工业应用所需的合理评估。为此，我们提出了一个基于两种主要策略的综合性分析框架：（1）直接自养生物合成，（2）非生物-生物混合过程。通过对比这些平台，本综述揭示了共同的挑战，如气液传质效率低和能源成本高，并提出了加速CO₂衍生PHA向可行制造模式转变的战略路线图。

PHA生物合成的核心代谢模块

CO₂转化为PHA的生物转化的上游碳固定途径多种多样，热力学效率各不相同。从能耗较高的Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环（每固定一个CO₂需要约3个ATP）到更高效的还原性乙酰辅酶A（Wood–Ljungdahl）循环和逆三羧酸（rTCA）循环（每固定一个CO₂仅需要约0.5–1个ATP）（Ruan等人，2025年）。无论采用何种上游固定途径，所有固定的碳最终都

一步CO₂生物转化：直接自养PHA合成

在单一微生物内直接将CO₂转化为PHA代表了最简洁的碳负生物聚合物生产方法。这种整体策略利用了自养生物固有的代谢能力来固定大气中的CO₂，随后通过光或无机化学物质引导固定的碳用于PHA合成。这种方法消除了对有机原料的依赖，简化了工艺流程。

两步CO₂生物转化：通过非生物催化激活惰性碳源

由于CO₂本身的热力学稳定性和动力学惰性，直接微生物固定通常效率低下（Claassens，2016年）。作为一种有前景的替代方案，出现了模块化的两步策略，将CO₂活化这一挑战性任务与PHA的生物合成分离开来（图2）。在这种模式下，高效的非生物催化（通常是电催化或光催化）将CO₂转化为微生物可利用的形式

克服关键瓶颈：从微生物工程到工艺强化的综合策略

虽然将CO₂转化为PHA为循环生物经济提供了吸引人的愿景，但其从实验室潜力转化为工业现实的过程受到诸多障碍的阻碍。为了进行系统评估，我们在表5中总结了这些关键挑战及相应的战略解决方案。从近期规模扩大的角度来看，我们认为气液传质效率和较低的生物CO₂固定率是“一级”瓶颈

结论与展望

将CO₂转化为PHA为碳负生物经济提供了一种变革性方法，为将温室气体负担转化为高价值、可生物降解的材料提供了直接途径。本综述系统地分析了相关技术，比较了直接单微生物自养策略和模块化非生物-生物混合过程。我们的分析揭示了一个共同挑战：高效耦合。无论是通过CBB循环的代谢整合还是其他方式

致谢

吴书彤：研究、概念构思、方法论和撰写——初稿。 赵雷：监督、概念构思、资源支持、审阅与编辑。 郑晓川：研究与撰写。 孙中芳：资源支持。 吴凯凯：资源支持。 陈川：资源支持。 邢德峰：资源支持。 杨珊珊：资源支持。 王爱杰：资源支持。 任楠琪：资源支持。

未引用参考文献

Ansari和Fatma，2016

Arias等人，2018

Bhati和Mallick，2015a

Cabecas Segura等人，2022

Chung等人，2025

Drosg等人，2015

Godoy等人，2023

Hasegawa等人，2008

Khaleghzadeh Ahangar等人，2023

Khatun等人，2025

Kovalcik等人，2017

Lambauer等人，2023

Lee等人，2017

López等人，2018

Maheshwari等人，2018

Martin和Gerhart，2015

Mifune等人，2010

Nguyen等人，2024

Park等人，2013

Park等人，2024b

Pham等人，2024

Serna-García等人，2024

Taepucharoen等人，2017

Thiele和Riedel，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52321005、32570108、U22A20443）、黑龙江省优秀青年学者自然科学基金（资助编号：YQ2023C031）、城乡水资源与环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学）（编号：2024TS22）以及黑龙江省春燕研究项目（编号：CYCX24022）的支持。