我国能源安全正面临多重压力，化石能源对外依存度长期处于高位，石油进口量约占总消费量的72%，天然气进口占比亦超过32%，能源供应的外部风险持续凸显。与此同时，化石燃料的大量消耗带来显著的温室气体排放，加剧气候变化压力。在此背景下，降低化石能源进口依赖、发展绿色低碳的可持续清洁能源，已成为我国能源转型的迫切需求和重要战略方向。
木质纤维素生物质（如玉米秸秆）是地球上储量最丰富的农业废弃物资源之一，被认为是构建可持续生物经济的关键候选原料。然而，其产业化利用长期受制于“碳利用效率低”的瓶颈。以纤维素燃料乙醇为例，在乙醇发酵过程中，近三分之一的碳原子会以二氧化碳形式流，此外发酵液中仍然残留有未被完全发酵的有机物，导致过程累计碳损失可高达60%，严重制约了纤维素乙醇的经济可行性与规模化推广。
为破解这一难题，中国科学院成都生物研究所生物质废弃物资源化利用创新团队的敖天杰博士，与上海交通大学刘晨光教授、白凤武教授团队合作，取得重要进展。该研究创新提出木质纤维素生物质碳资源的梯级利用路线，构建了“纤维素乙醇发酵—厌氧消化乙醇废醪液—沼液耦合乙醇尾气培养微藻”的三位一体集成梯级工艺，实现木质纤维素碳资源的全链条捕获与高值化转化。在该闭环系统中，研究人员首先利用代谢工程改造的酿酒酵母，对预处理后的玉米秸秆水解液进行高效混合糖发酵，有效突破了传统菌株难以利用戊糖的技术瓶颈；随后，将发酵产生的乙醇废醪液（含残留有机物）进行厌氧消化制取甲烷，实现残留碳资源的二次回收；最终，以厌氧消化产生的沼液与乙醇发酵过程中捕获的二氧化碳共同作为微藻培养基质，在完成碳的生物固定的同时，实现营养物质的循环利用。通过这一集成梯级工艺，以玉米秸秆为代表的木质纤维素类生物质碳利用率从传统工艺的48%显著提升至62%。
在此基础上，进一步开展工业放大模拟与技术经济分析，构建了日处理2000吨玉米秸秆的工业级整合工艺模型。分析显示，该路线的最低乙醇售价（MESP）可达2.44美元/加仑，已接近当前市场竞争力水平；同时明确原料成本（约占30%）和纤维素酶成本（约占17%）为主要成本驱动因素，为后续工艺优化与产业化落地提供了清晰方向。
相关成果以“Valorizing Every Carbon Atom: A Cascade Bioprocess for Advanced Biofuels from Corn-Stover-Derived Lignocellulose”为题，发表于国际权威期刊Environmental Science & Technology。论文第一作者为敖天杰博士，通讯作者为成都生物研究所罗倚坪副研究员和上海交通大学刘晨光教授。合作作者包括成都生物研究所生物质废弃物资源化利用创新团队李东研究员、邓放副研究员，上海交通大学白凤武教授，西班牙萨拉戈萨大学Javier Remón教授以及不列颠哥伦比亚大学Jie Wu教授。
本研究得到国家重点研发计划（2023YFC3905801）、国家自然科学基金（32301538）、四川省科技计划（2023ZYD0280）以及研究所自主部署项目（QNTS2025-2）等项目的联合资助。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c14410
