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微生物蛋白（MP）通过Power-to-Protein（P2P）系统实现可持续生产，整合碳捕获、可再生能源和生物制造，分类氢、CO、甲烷等电子供体途径，强调系统整合与可持续评估。
作者：Na Chu、Xintong Xu、Yan Wang、Chenghao Xu、Jiping Tang、Panpan Liu、Yong Jiang
单位：福建师范大学环境与资源科学学院，污染控制与资源再生重点实验室，中国福州，350117
摘要
全球食品系统正面临由人口增长、快速城市化和气候变化带来的前所未有的压力，这迫切需要寻找替代传统资源密集型农业的可持续方案。在这一背景下，替代蛋白质作为一种有前景的策略应运而生，旨在提高食品安全的同时减少环境负担。本文从环境生物技术的角度探讨了微生物蛋白质（MP）的生产，特别关注新兴的“电力转蛋白质”（Power-to-Protein, P2P）系统——这是一种结合碳捕获、可再生能源利用和可持续生物制造的综合性平台。P2P系统的基本架构可以概括为：碳输入 → 能量/电子输入 → 微生物转化 → 产品输出。根据直接电子供体的不同，新兴的P2P路径被系统地分为氢气、一氧化碳、甲酸盐、甲醇、甲烷、醋酸盐和乙醇介导的途径，并特别关注生物混合系统的应用。文章指出了关键的研究重点，包括基本机制的理解、关键技术创新、系统级集成以及可持续性评估和技术经济分析。总体而言，本文为开发高效、可扩展且经济可行的P2P技术提供了全面的框架，从而有助于迈向更加可持续和有韧性的全球食品系统。
引言
当代社会面临着与食品安全、气候变化和资源短缺相关的多重挑战。预计到2050年，全球人口将达到98亿，同时对蛋白质的需求将增加约70%。与此同时，预计到本世纪中叶，城市人口将占世界总人口的70%。美国食品药品监督管理局建议成年人每天的蛋白质摄入量为0.8克/千克，这意味着仅动物源性蛋白质的全球年需求量就可能接近12.5亿吨。
目前，全球食品生产系统占据了人为温室气体排放量的近三分之一，并占据了地球上大约一半的宜居土地。传统的畜牧业生产方式特别依赖资源，需要大量的土地、化石能源、磷和水资源，同时产生大量的温室气体排放。因此，农业仍然是最难以实现脱碳的领域之一。鉴于这一转型的紧迫性，在2024年夏季达沃斯论坛上，替代蛋白质来源被列为未来三到五年内可能产生重大全球影响的十大新兴技术之一。
作为回应，包括培养肉、昆虫和藻类在内的替代蛋白质已成为有前景的解决方案。尽管大规模应用仍受到消化性、营养生物利用度、监管框架和消费者接受度等因素的限制，但这些系统通常对气候变化的适应性更强，具有显著提升食品系统韧性的潜力。预计到2027年，全球替代蛋白质市场的规模将达到约174亿美元。
“单细胞蛋白质”（Single-Cell Protein, SCP）这一术语最早出现在1966年，最初指的是通过微生物转化过程产生的富含蛋白质的生物量。本文采用更为普遍的“微生物蛋白质”（Microbial Protein, MP）这一术语。
尽管微生物蛋白质在全球食品和饲料供应链中具有重要意义，但传统的生产技术往往伴随着较高的生产成本和环境足迹。利用木质纤维素生物质或农业废弃物的系统具有更好的可持续性；然而，由于原料供应有限和结构上的复杂性，通常需要能耗高且成本高昂的预处理过程。在这种背景下，“电力转蛋白质”（Power-to-Protein, P2P）技术受到了越来越多的关注。P2P系统将碳捕获和利用与可再生能源转换及微生物生物制造相结合，从而实现了一种潜在更可持续的蛋白质生产模式。相关的概念框架，如“绿色食品”、“电农业”和“电生物制造”，强调了这一新兴技术领域的互补性。
P2P技术的一个核心优势在于其能够直接利用可再生能源。然而，可再生能源系统在电力供应、二氧化碳可用性和操作参数方面具有间歇性和不确定性。与化学催化剂相比，微生物催化剂具有独特的特性，包括低成本、自我适应、自我修复和自我复制能力，这些特性使它们能够在底物和能量输入波动的情况下保持生产稳定性。例如，由电能驱动的微生物二氧化碳转化（Microbial Electrosynthesis, MES）技术已证明，
Thermoanaerobacter kivui在间歇性电源供应（12小时开启-关闭循环）下能够持续生产乙酸超过四个月。由于微生物细胞即使在非生长状态下也需要维持膜电位和基本细胞功能，因此提供最低限度的维持电流可以减轻电流中断的不利影响。微生物还表现出对较高生物反应器压力和二氧化碳分压的耐受性。系统性能通常受到阴极生物膜厚度和几何电流密度的显著影响，这些因素会影响二氧化碳的质量传递和可用性。在恒定压力下增加二氧化碳的冲洗速率已被证明可以提高法拉第效率，并促进电子和碳向长链有机酸的选择性，这可能是由于二氧化碳质量传递的改善。这种适应性表明，微生物生物技术特别适合在资源受限或环境多变的情况下使用，包括可持续的空间探索场景，它们可以补充或替代物理化学系统。最近在二氧化碳电还原（CO?RR）方面的进展要求重新评估P2P技术的地位及其在可持续食品生产中的作用。比较MES和CO?RR发现它们具有不同的性能特征。MES通常在电流密度上至少低一个数量级，但可以连续运行长达一年，而CO?RR的稳定性测试通常仅持续一天。MES对醋酸盐和甲烷表现出高选择性，而CO?RR对二氧化碳和甲酸盐表现出高选择性。目前这两种方法对C?+产物的选择性都有限。MES具有更高的生物化学产品价值潜力，而CO?RR由于更高的生产率和选择性，在C?产物方面实现了部分经济可行性。
大量文献探讨了微生物蛋白质生产的关键方面，包括工业规模工艺、农业工业副产品的利用、食品加工废弃物的处理，以及发酵技术的创新（包括精准发酵）和精准与混合培养发酵技术的进步。其他研究还研究了甲酸盐的代谢途径、可再生能源与厌氧消化（AD）和发酵系统的集成、基于C?气体的微生物蛋白质生产用于动物饲料，以及利用氢氧化细菌（HOB）将二氧化碳和铵转化为富含蛋白质的生物质。此外，还有研究探索了硫氧化细菌、微生物气体发酵、酵母蛋白质提取技术以及增强蛋白质生产的合成生物学策略。
与以往的综述不同，本文特别关注通过环境生物技术进行微生物蛋白质合成，特别强调P2P系统作为整合碳捕获、可再生能源存储和微生物生物制造的综合性平台。文中简要介绍了基于化石的过程和从有机废弃物中生产微生物蛋白质的方法，以提供背景信息。我们将P2P系统构想为一个结构化的框架：碳输入 → 能量/电子输入 → 微生物转化 → 产品输出。基于这一架构，根据不同的直接电子供体系统地分类了新兴的P2P路径，并特别关注生物混合配置。最后，本文确定了关键的研究重点，以指导这一快速发展的领域的技术进步和可持续性优化。
基本过程
微生物蛋白质的生物合成依赖于三个基本要素：碳源、能源源和微生物催化剂。生物反应器作为一个集成的转化平台，提供了严格控制下的物理化学环境，以最大化生物催化效率和生物量生产力。在定义的稳态条件下稳定运行需要持续监测和关键参数的反馈调节，包括pH值、温度、底物浓度和氧化还原状态。
碳输入
微生物蛋白质生产的碳源包括来自稀薄流体的气态二氧化碳（范围从工业烟气到环境空气），以及水环境中溶解的无机碳（DIC），尤其是在海水中。利用气态二氧化碳的主要限制是其在水介质中的溶解度低和传质受限。然而，最近的技术进步引入了一些创新方法来缓解这些限制。
能量/电子输入
在P2P系统中选择电子供体是一个核心的设计考虑因素，需要从热力学和技术的角度进行仔细评估。两个关键因素需要特别关注：首先是过程设计过程中能量和碳平衡的全面评估。这一要求部分源于候选底物和微生物生物质之间的还原程度差异。
营养模式
微生物可以通过不同的营养策略合成蛋白质，包括光自养、异养和化能自养。
光自养微生物蛋白质主要由微藻和蓝细菌产生，它们利用太阳能直接将二氧化碳同化成生物量。传统的开放式池塘培养系统受到土地需求大、面积生产力低、光利用效率不佳和易受污染等限制。
产品输出
微生物蛋白质的下游处理通常包括四个主要阶段：（i）从生物反应器中收获细胞；（ii）细胞破碎；（iii）蛋白质提纯；（iv）干燥。值得注意的是，并非所有步骤都在每个过程中都实施，工作流程通常根据干物质中的蛋白质含量来生产三种产品之一：蛋白质粉或面粉（<65%蛋白质）、蛋白质浓缩物（65–90%蛋白质）或蛋白质分离物（>90%蛋白质）。
展望
本文综述了通过环境生物技术进行微生物蛋白质合成的现状，特别强调了P2P框架，涵盖了碳和氮的输入、微生物催化剂以及多种工艺配置。尽管用于氢气生产的水电解技术已达到9级技术成熟度（TRL 9），二氧化碳电解技术达到6级技术成熟度（TRL 6），但总体而言，P2P技术仍处于3–4级技术成熟度。从实验室验证到商业化应用，还需要进行大规模的扩展和工业示范。
结论
本文总结了当前通过环境生物技术生产微生物蛋白质的现状，特别强调了P2P模式。主要观点包括：
1. **食品生产范式的转变**：P2P将蛋白质合成与传统农业分离，实现了可再生电力和捕获的无机碳直接转化为可食用生物质，从而解决了食品安全、土地保护和气候缓解的问题。
2. **系统效率取决于集成**：可扩展性依赖于各组成部分的协同作用。
作者声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52500026、52370033）和福建省自然科学基金（项目编号：2025J08145、2024J010021）的支持。
