Green Carbon文章 | 湖北工业大学彭良才教授、中国科学院青岛能源所付春祥研究员：整合先进生物技术助力碳中和

Green Carbon

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Green Carbon is an interdisciplinary journal promoting cutting-edge science and technology developments of green resources, green conversions, green processes and green products leading to low, zero or negative carbon emissions.

英文原题：Integration of advanced biotechnology for green carbon

作者：Miao Wang, Yixiang Wang, Jingyuan Liu, Hua Yu, Peng Liu, Yujing Yang, Dan Sun, Heng Kang, Yanting Wang, Jingfeng Tang, Chunxiang Fu*, Liangcai Peng*

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背景介绍

Background

碳中和作为控制全球变暖和气候变化的一项长期政策已在世界范围内实施。植物通过光合作用捕获大气中的二氧化碳，合成地球上最丰富的木质纤维素。将木质纤维素转化成生物燃料和化学品是减少碳排放的有效途径。然而，植物木质纤维素具有抗降解性，造成生物质的转化成本高，且易产生二次污染。

近日，湖北工业大学彭良才教授和中国科学院青岛能源所付春祥研究员在Green Carbon上发表标题为“Integration of advanced biotechnology for green carbon”的综述文章，论述了植物基因工程、生物质能源工程和生物基碳纳米技术的最新进展，提出了将植物木质纤维素遗传改良与生物质绿色转化技术相结合的新策略，用于低成本生产生物燃料和高值化学品，为降低碳排放和实现“双碳”目标提供了新思路。

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文章简介

Introduction

背景介绍

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作为地球上最丰富的生物质资源，木质纤维素主要来源于农作物、林木和草本植物（图1）。植物在进化过程中构建了具有复杂结构和多种生物功能的细胞壁，形成了天然抗降解屏障。植物细胞壁主要由30% - 50%的纤维素、20% - 40%的半纤维素和15% - 35%的木质素组成。其中，农作物秸秆中多糖的比例相对较高，可用于酶解糖化，发酵生产生物燃料；而富含木质素的发酵残渣可用于生产生物吸附剂和高值化学品。为提高生物质资源的利用率、降低生产成本和减少二次污染，需创建低抗降解性的木质纤维素原料。

图1. 用于生产生物燃料和高值化学品的三种主要木质纤维素资源

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木质纤维素的生物合成

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论文总结了各类基因对木质纤维素生物合成的调控作用，以及采用基因工程技术改良植物细胞壁的组成和结构，获得能高效酶解糖化木质纤维素的方法（图2）。在纤维素合酶CesA基因家族中，对水稻CESA4、7、9进行位点特异性突变和敲除，水稻突变体中增加了无定形区域和内部断裂的纤维素链，可促进纤维素水解，显著提高可发酵糖的产量。半纤维素与纤维素微纤丝的无定形区域紧密相互作用。利用转基因木质纤维素研究阿拉伯糖是否被包裹在纤维素微纤丝的无定形区域中，有助于探究木聚糖的生物合成对植物细胞壁中纤维素纳米纤维（CNFs）组装的调控机制。木质素沉积是决定木质纤维素顽固性的关键因素。通过基因工程技术降低木质素S/G比和增加细胞壁孔隙率，显著改善木质纤维素的抗逆性。低S/G比有利于合成木质素纳米颗粒或半纤维素-木质素复合体，从而在温和的化学处理过程中生产高值纳米材料或接近完全的酶解糖化。因此，将调控木质纤维素生物合成的精准基因工程与高效生物质工艺技术相结合，可以实现木质纤维素高效的酶解糖化。

图2. 利用基因工程对能源作物的木质纤维素进行精确修饰

遗传改良木质纤维素的化学催化

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温和、绿色预处理足以实现近乎完全的生物质酶解糖化，以最大限度地提高转基因作物的生物燃料产量。遗传改良木质纤维素还可以有效地生产功能性纳米材料，生物燃料精炼工程中富含木质素的残留物特别适合生产增值化学产品。论文分析了经典化学试剂（酸、碱和有机溶剂）和绿色化学预处理（离子液体和深共熔溶剂）的优缺点，并总结了遗传改良木质纤维素生产功能纳米材料的最新进展（图3）。在水稻CESA4、7、9位点特异性突变体和敲除体中观察到不同的CNFs组装，敲除体产生最小尺寸的CNFs，而基因位点突变体产生大小不同的CNFs，阐明了以相对低成本高效生成高值纳米材料的化学催化机制。

图3. 结合化学催化从遗传改良的木质纤维素中生产多种化学品

遗传改良木质纤维素的热转化

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碳材料的发展推动了人类文明的进步。木质纤维素作为制备碳材料的前体具有经济实用性和可持续性，是目前最具规模化利用潜力的新型碳源。在碳化过程中，生物质经过多次反应，伴随着热量和化学物质的传递，形成了多种纳米碳材料。论文介绍了四种碳化策略（热解、水热碳化、激光诱导石墨化和微波辅助碳化）、活化技术及生物质碳材料在超级电容器、传感器、吸附剂和催化剂等方面的应用。木质纤维素资源可以生产类石墨烯的纳米碳。由于木质纤维素的多种成分和复杂的结构，在经典的热化学工艺中通常将木质纤维素简单地生成无定形的生物炭，并用作去除工业染料、有毒化学物质和重金属的高效吸附剂或电化学储能的功能材料。因此，需要探索先进的生物技术，通过将基因修饰的木质纤维素与最佳的热化学工艺相结合，生产高质量和优越性能的纳米碳材料。

图4. 遗传改良的木质纤维素生物质碳化机理研究

总结及展望

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基于植物基因工程、生物质转化技术和碳纳米技术方面取得的进展，本论文提出了一种新的方法，将遗传改良能源作物的木质纤维素结构与生物质绿色转化技术相结合，生产低成本的生物燃料或高值化学品，如纳米材料和碳材料等。通过对关键基因的精准调控，精准修饰天然植物的细胞壁组成和结构，增加纤维素的无定形区域和内部断裂位点，以产生具有最低抗降解性和最高转化效率的木质纤维素原料。由于无定形区域和内部断裂的纤维素链可以增加生物质转化的初始催化位点，因此尺寸减小的纤维素纳米纤维可以通过生化转化实现近乎完全的酶解糖化，从而显著降低生物燃料的生产成本。用遗传改良的木质纤维素进行高效的化学催化，可获得高质量的纳米材料。此外，用合适的木质纤维素基纳米材料进行最佳的热化学转化，有望生产高性能的石墨烯和纳米碳材料。因此，将先进生物技术与纳米技术相结合，可为绿色低碳革命提供新的思路。

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文章摘要

 Abstract

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Abstract

Carbon neutralization has been introduced as a long-term policy to control global warming and climate change. As plant photosynthesis produces the most abundant lignocellulosic biomass on Earth, its conversion to biofuels and bioproducts is considered a promising solution for reducing the net carbon release. However, natural lignocellulose recalcitrance crucially results in a costly biomass process along with secondary waste liberation. By updating recent advances in plant biotechnology, biomass engineering, and carbon nanotechnology, this study proposes a novel strategy that integrates the genetic engineering of bioenergy crops with green-like biomass processing for cost-effective biofuel conversion and high-value bioproduction. By selecting key genes and appropriate genetic manipulation approaches for precise lignocellulose modification, this study highlights the desirable genetic site mutants and transgenic lines that are raised in amorphous regions and inner broken chains account for high-density/length-reduced cellulose nanofiber assembly in situ. Since the amorphous regions and inner-broken chains of lignocellulose substrates are defined as the initial breakpoints for enhancing biochemical, chemical, and thermochemical conversions, desirable cellulose nanofibers can be employed to achieve near-complete biomass enzymatic saccharification for maximizing biofuels or high-quality biomaterials, even under cost-effective and green-like biomass processes in vitro. This study emphasizes the optimal thermal conversion for generating high-performance nanocarbons by combining appropriate nanomaterials generated from diverse lignocellulose resources. Therefore, this study provides a perspective on the potential of green carbon productivity as a part of the fourth industrial revolution.

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作者

 Author

彭良才 教授

彭良才，湖北工业大学教授，博士生导师，2006年教育部“长江学者”特聘教授，生物质与生物能源团队负责人（PI），Green Carbon副主编。长期致力于植物纤维素生物合成和纳米纤维解构改性，细胞壁代谢调控网络与生物质纳米原料选育，生物质绿色预处理与酶工程，纤维素燃料乙醇与生物质液体燃油，生物质纳米增强复合材料和元件，生物质纳米电化学储存与催化材料和元件，生物碳与纳米碳纤维等方面的研究。主持科技部/国家重点研发计划、农业部转基因生物新品种培育科技重大专项、973前期计划、教育部、科技部高等学校学科创新引智基地、国家自然科学基金等国家级科研项目20余项，在Science、Nature Communications、Biotechnology Advances、Bioresource Technology、Green Chemistry、Carbohydrate Polymers、Plant Biotechnology Journal、Journal of Integrative Plant Biology等国际权威期刊发表SCI论文100余篇，被引用次数6940次，H指数44；著作2部；授权国家专利10项；特邀国内外学术报告80余场。

付春祥 研究员

付春祥，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，博士生导师。2007年获得中国科学院植物研究所博士学位，2007年至2011年在美国The Samuel Roberts Noble Foundation从事能源植物和牧草的遗传改良和分子设计方面的博士后研究。2012年至2013年出任美国The Samuel Roberts Noble Foundation植物转基因平台的第一任主管。先后发表SCI文章30多篇，申请专利7项。具有多年的海外科研工作经历和丰富的平台管理经验。留学期间所从事的研究课题先后来自于美国农业部（USDA）、能源部（DOE）、能源部生物能源科学中心（BESC）、美国国家科学基金激励竞争性研究试验计划（NSF-EPSCoR）和美国牧草资源国际公司（Forage Genetics In.）。回国后获得国家自然科学基金面上项目的资助，并组建作物分子育种团队，主要围绕能源与牧草作物（柳枝稷、玉米和苜蓿）的生物量和品质进行遗传改良和分子育种研究。先后建立了高效稳定的柳枝稷、玉米和苜蓿的遗传转化平台，并在柳枝稷中实现了多基因的综合调控。

相关论文信息

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论文信息

Wang M, Wang Y, Liu J, et al. Integration of advanced biotechnology for green carbon[J]. Green Carbon, 2024.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.02.006

供稿：王苗 讲师

（湖北工业大学）

编辑：Green Carbon 期刊中心

审核：Green Carbon 期刊中心

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关于

Green Carbon

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Green Carbon（绿碳，ISSN 2950-1555）是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所创办、与科爱集团联合出版的开放获取英文学术期刊，聚焦绿色碳资源的开发与利用、化石碳资源的绿色转化与利用、排放碳资源的固定与利用，以及多尺度碳循环的分析与管理等主题，推动可持续发展领域的科技创新，打造多学科融合的国际一流学术交流平台。期刊将发表原创性研究论文、综述类文章、社论、简短通讯、观点和专题类文章。

官方网站

https://www.keaipublishing.com/en/journals/green-carbon/

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