综述：用于天然与合成大分子生物技术利用的生物量热法

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Biocalorimetry for the biotechnological use of natural and synthetic macromolecules

　　

生物量热法为天然与合成大分子在生物技术利用中的实时过程监测与优化提供了强有力的方法，尤其适用于以植物生物质或塑料废弃物高值化为目标的复杂固态体系。本文综述对生物热力学与量热法在监测微生物活性方面的一般优势与局限性进行了批判性评述；微生物活性可通过代谢热（metabolic heat）测量在不同尺度与不同底物条件下进行追踪。由代谢热导出的活性参数能够稳健地定量评价微生物在底物转化中的性能，因此有望成为生物过程开发与运行中的有价值工具。尽管生物量热法在液相培养系统中已得到一定程度的应用，但其在固态发酵（solid-state fermentation, SSF）、堆肥以及固体塑料生化分解中的适配仍处于早期阶段，同时在实时控制与放大方面展现出前景。当前该技术适用性的挑战与限制，尤其存在于混合培养与非无菌过程之中。尽管如此，若将基于代谢热的数据集进一步拓展至微生物功能性状（functional traits），则有望推动其在生态学与工业中的应用。总体而言，生物量热法被定位为推进循环生物经济战略的有价值工具，但其在科研与工业场景中的更广泛采用仍需进一步验证与方法学发展。

Introduction

文章首先从全球有机碳储量与聚合物资源利用背景切入，指出天然聚合物如纤维素与木质素，以及来源于化石资源的合成聚合物，均构成重要的碳与能量储库。随着塑料产量持续增长，塑料污染、微塑料生态风险及资源浪费问题日益突出，因此亟需通过生物技术路线实现天然与合成大分子的高值化利用。文中强调，细菌、真菌与酶可用于聚合物降解与转化，但其过程效率受到微生物生长维持消耗、酶合成成本以及温度、水分活度、缓冲体系和溶解促进条件等因素影响。基于此，量热法（calorimetry）可用于筛选生物催化剂、优化工艺条件，并实现生物过程的实时监测。文章进一步说明，从实验室尺度的等温微量热法（isothermal microcalorimetry, IMC），到台架尺度反应量热，再到技术尺度动态热平衡反应器，量热监测均可用于定量聚合物水解完成度、碳与能量流向新生物量的比例以及反应速率。作者同时界定了综述范围，聚焦于含固体底物体系中的生物热力学与量热应用，不涉及差示扫描量热（differential scanning calorimetry, DSC）、燃烧量热和间接量热等其他方向。

Advantages of calorimetry

本节系统概述量热法的核心优势。首先，量热法具有非侵入、实时、高灵敏度的特点，连续记录优于传统间断采样，特别适合对非线性或指数生长过程进行参数优化，也适用于环境因子、剂量效应及微弱代谢变化的快速筛查。文中指出，纳米量热可检测数纳瓦级功率，因而适于低活性或慢生长微生物群落的活性定量。其次，量热法具有跨尺度适用性，可覆盖从纳升到立方米的体系；随着反应器放大，产热体积与换热表面积之比提高，系统更接近绝热条件，反而有利于技术尺度过程控制。文中通过能量平衡方程分析了A/V比对温升与散热项的影响，说明大型圆柱反应器在量热监测上具有理论优势。

此外，量热法适用对象广泛，可用于研究生物分子相互作用、酶活性、噬菌体、细菌、真菌、植物乃至动物代谢，也能适用于液体培养、琼脂平板、生物膜、滤膜、木材、金属表面和土壤等不同基质。文章特别强调，量热法直接测量能量流，不依赖复杂异质体系中的间接换算，因此在复杂底物中具有独特优势。基于赫斯定律（Hess's law），反应热可与生物量或产物得率系数建立定量联系；同时，量热数据还可通向焓（enthalpy）、吉布斯自由能（Gibbs energy）和熵（entropy）等热力学状态函数，从而支持预测模型构建。总体来看，量热法与热力学为生物技术、系统生物学与生态学中的过程理解和优化提供了统一的能量学视角。

Biocalorimetry towards bioprocess development and operation

Usefulness of metabolic heat-derived process parameters

本部分讨论如何将生物量热信号转化为可解释的生物学参数。文章指出，代谢热产生速率在与活细胞数量保持足够相关时，可用于估算微生物生长速率；这一关系在指数生长期尤为明显，此时单位细胞比产热率可作为连接热流与细胞数的比例因子。进一步地，对代谢热流随时间积分可得到生长反应焓，并在适当边界条件下换算为生物量或代谢产物等生物学等价量。文中提出，细胞单位碳经验式与生物量燃烧焓可用于建立热信号与生物量之间的换算基础。

对于固体木质纤维素底物上的丝状真菌，代谢热得率系数Y_Q/X被认为是重要参数，其表示单位生物量形成所释放的累计代谢热。该参数具有物种特异性，可用于模拟高度异质底物上的真菌生长、推断生长相关活性参数，并反映资源在生物量形成与胞外酶或代谢物生成之间的分配关系。作者比较了Y_Q/X与传统生物量得率系数Y_X/S后指出，前者在复杂固体体系中可能更稳健、误差更小，因为Y_X/S常基于底物消失量估算，容易混入非生物物理化学损失，而代谢热则更直接地证明生化转化发生。

同时，文章也强调热流本质上是非特异性总和参数，会整合体系内所有生物化学与生物物理过程，因此其解释力存在边界。若与特异性分析联用，如呼吸测定或CO₂释放监测，则可提高信息分辨率。文中举例说明，热流曲线中多个峰值可提示二次生长（diauxic growth）、有氧呼吸向发酵转变或混合群落不同成员的生长动态。作者还给出了底物消耗、维护代谢、产物形成与得率系数之间的数学关系，并说明在底物与产物定义明确时，可通过热量—生物量关系推算产物得率。因此，生物量热法不仅可用于监测，还能支持菌株筛选与工艺优化中的定量决策。

Screening, exploration, and selection of biocatalysts

作者认为，生物量热法尤其适合用于微生物二级筛选。相较于初筛中依赖水解圈、抑菌圈、pH指示剂变化等定性指标，生物量热法能够敏感、定量地刻画微生物生长、活性和产物形成。适于筛选的性状包括生长速率、对碳氮源的营养需求、对温度、pH、渗透压和氧的耐受性，以及目标产物形成能力和副产物控制特征。文中提到，酶、抗生素、有机酸、维生素、氨基酸、类固醇、铁载体、生物杀虫剂、生物燃料，以及聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates, PHAs）和多糖等生物材料的相关微生物表型，都可能成为生物量热筛选的对象。由此，生物量热法为野生型菌株、极端环境微生物、工程平台菌株与细胞工厂的表型定量提供了广泛应用空间。

Bioprocess optimization

在工艺优化方面，文章指出，量热参数尤其是得率系数有助于识别pH、温度、底物浓度等条件下的最优产物形成窗口。作者强调，生长速率、生物量得率与产物得率之间常存在权衡关系。初级代谢产物通常在生长阶段形成，但更快生长并不总意味着更高产物得率；相反，某些情形下为追求产率需要牺牲生长速度。代谢热得率系数Y_Q/X能够表征速率—得率权衡，因为较高代谢速率往往伴随更多热耗散和较低生物量得率。对于次级代谢产物，文章指出其形成常与指数期向稳定期过渡相关，可通过热流变化调节补料速率，以维持尽可能高的产物生成速率而不损伤生物催化剂。作者据此认为，未来基于代谢热的能量平衡有望与传统基于物料衡算的模型并行，用于构建更具预测性的工艺优化方法。

Monitoring of biological processes

本节回顾生物量热在生物过程监测中的应用。文中指出，尽管技术尺度应用仍处于起步阶段，但50 L甚至100 m³生物反应器的量热监测方法已被建立，并可用于如甲醇底物补料控制等场景。生物量热法已广泛用于检测和分析微生物、评估抗菌剂作用、跟踪代谢转变，并在食品腐败、化妆品添加剂评价、土壤有机质分解和种子萌发研究中得到应用。就微生物过程而言，该方法能够监测细菌代谢活动、识别异常代谢事件、追踪有毒底物向高值产物如生物聚酯或依克多因转化的过程，并用于真菌液态发酵中生长动力学、产物形成与胞外酶分泌之间关系的解析。

文章进一步指出，固态发酵（SSF）中的生物量热研究仍较少，但已有工作表明IMC可用于监测β-胡萝卜素生产酵母在大麦上的SSF过程，也可用于监测木材上真菌定殖和农业木质纤维素副产物上的真菌发酵。由于固体培养基组成复杂、物质与菌体分布不均，输入—输出能量关系比液态发酵更复杂，因此该领域仍需深入研究。

Promising biocalorimetry applications to natural and synthetic macromolecules

Plant biomass and organic waste valorization

作者认为，生物量热法在植物生物质与有机废弃物高值化方面具有尤为突出的潜力。面向下一代工业生物技术，低成本混合可再生底物、低用水量以及减少灭菌需求成为重要目标，而无论是液相发酵还是SSF，只要涉及高固含量底物，快速、可靠和代表性的过程数据获取都会变得困难。SSF作为生物炼制新兴技术，在将木质纤维素农业副产物及其他有机废弃物转化为绿色化学品、生物塑料、纺织材料、胶黏剂、纸基材料或生物燃料方面具有吸引力。其优势包括工艺稳健、适用低成本残余物料、节水及对无菌要求较低，但挑战则集中于过程监测、优化和控制。文章指出，SSF中固体底物上的微生物生长通常高度不均一，传统基于麦角固醇、氨基葡萄糖或核酸的侵入式生物量测定费时费力，而生物量热法有望以少量关键参数实现过程整体表征，并在放大过程中帮助评估代谢热积累与散热失衡风险。

Synthetic polymers in a circular economy

对于合成聚合物，文章将其视为另一类可在浸没发酵、SSF样过程或堆肥中利用的固体异质底物。当前塑料循环经济高度关注生物法降解与再利用，尤其是聚酯、聚氨酯和聚酰胺等可水解塑料更适于直接酶法解聚，而聚烯烃和聚苯乙烯等仅含饱和C-C主链的塑料则可能需要先经热化学或化学解构，再由微生物代谢小分子降解产物。文中回顾了聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）酶法回收在工业示范尺度上的进展，以及高结晶PET在无大量水相的湿固态反应体系中实现高效酶解的报道，这些都提示量热监测可望切入工业相关体系。

作者特别指出，生物量热法在合成聚合物降解中的应用仍十分有限。与DSC长期用于PET玻璃化转变、结晶与熔融行为分析不同，生物量热用于监测酶法解聚尚属新兴方向。已有初步研究利用等温滴定量热揭示PET纳米颗粒降解的反应机制、解聚程度和潜在抑制效应，并通过热动力学模型获得较好拟合。由此可见，量热信号不仅能反映反应速率，还可能用于解析酶吸附、酯键断裂等步骤的焓变过程，为塑料酶法回收工艺优化提供实时依据。

Current challenges and limitations in terms of applicability

Instrumental and operational limitations of IMC

文章指出，IMC通常在密封安瓿中进行测量，因而可能发生O₂耗尽与CO₂积累，进而改变电子受体利用方式，诱导发酵途径，抑制生长甚至造成毒性，使热信号失真。尽管可通过周期性开盖换气或持续通入水蒸气饱和空气缓解这一问题，但前者会引入长时间热扰动，后者则需改造容器并可能因热桥与冷凝降低信号质量。半透膜盖被提出为另一种潜在解决方案。

Mixed culture scenarios

混合培养、共培养与非无菌过程被认为是生物量热应用中最具挑战性的场景之一。多个种群同时作用于同一底物时，物种组合、底物类型和相互作用会共同塑造复杂动力学，而热流信号的非特异性会显著增加解释难度。尽管不同物种元素组成与能量含量相似在一定程度上简化了解释，但群落成员的碳能利用效率与代谢速率差异仍会影响信号。作者建议未来应加强合成群落的热动力学分析，并指出多峰热流曲线或许有助于识别群落内部不同成员的生长动态。与此同时，这类数据也可能为微生物生态学中的种间互作研究提供新视角。

Completion and availability of metabolic heat measurement-derived functional data

作者进一步强调，目前基于代谢热测量的菌株功能数据仍较匮乏，限制了生物量热法在菌株筛选与工艺设计中的普及。尤其是物种特异、底物特异和代谢类型特异的Y_Q/X等参数，尚需在更广泛的真菌、细菌、古菌及不同生态型微生物中系统积累。文章提出，可将这些热学功能参数整合进现有以生态性状为主的数据库，以提高对微生物群落成员功能分配的解释力，并增强其在工业菌种选择中的实用性。

Prospect

在展望部分，文章认为生物量热法兼具灵敏性、通用性与可放大性，适合应对植物生物质、农业残余物与塑料废弃物等复杂固态体系中的过程监测难题。其直接测量能量流与焓变的能力，使其能够替代部分耗时的侵入式检测，并支持生物过程开发、放大和实时质量控制。对于天然大分子，生物量热法可支撑高附加值生物制品与生物材料开发；对于合成聚合物，则有望推动酶法回收、可降解塑料堆肥及相关循环处理工艺的发展。与此同时，文章明确指出，混合群落、非无菌环境、复杂底物基质以及数据积累不足，仍是该技术进入主流工业应用的关键障碍。

作者最后提出，未来若将生物量热法与基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和通量组学（fluxomics）结合，并引入数据驱动热力学建模与机器学习，或可显著提升复杂生物过程的解释、预测和自动控制能力。多通道并行量热平台也为高通量筛选提供了现实基础。整体而言，本文将生物量热法定位为连接热力学、微生物学、生态学与工程学的重要交叉工具，认为其有望成为支撑可持续生物技术与循环生物经济的重要方法学平台。