用于生物能源和生物产品的木质纤维素原料的进展

将植物变为日常多面手

“木质纤维素”听起来或许高深，实际上它就是构成植物茎、树干和叶片的大部分的坚韧纤维物质。由于这种植物物质极其丰富且不会与粮食作物直接竞争，它可以为飞机提供燃料、为工业提供化学品、为建筑和电子产品提供先进材料——同时有助于减少温室气体排放。本文综述了科学家们如何更好地收集、加工乃至重新设计这些植物材料，使其能够替代目前大量基于化石燃料的产品。

是什么让木本植物如此有价值？

木质纤维素生物质主要来自两类来源：以草本“能源作物”为代表的植物，以及如杨树或松树等木本植物。它们的细胞壁由三种主要成分构成——纤维素、半纤维素和木质素——这三者共同构成了地球上活体生物质中超过一半的碳储量。纤维素已经支撑着人们熟悉的产品如纸张、纸板和纺织品，现在也正被精制成用于水过滤器、柔性电子和高强轻质复合材料的高价值纳米纤维素。半纤维素可以被转化为用于生物燃料的糖，或直接用于食品、涂层和医疗产品，而木质素作为含碳量最高的组分，正逐渐成为芳香化学品、生物塑料和改善土壤的生物炭来源。

从站立的树木到有用的产品

要把树木或草茎变成燃料或材料，工业首先必须破解其顽固的结构。综述描述了一系列加工步骤，始于原料的选择及其运送到“生物精炼厂”——一种类似于石油炼厂处理原油那样处理生物质的工厂。预处理方法——机械、化学、热或生物——将材料分解成更易处理的片段并分离其主要成分。随后酶将纤维素和半纤维素消化成糖，微生物将这些糖发酵成乙醇、航空燃料前体或其他化学品。另一类路径则利用热和催化剂直接将生物质转化为气体、油类或固体碳。每一步都必须针对具体的生物质类型进行调校，这些步骤共同决定了生物基产品的成本，其中仅预处理和酶就占据了较大比重的总费用。

为何生物学、工程学与政策须协同推进

即便实验室和示范工厂提高了效率，大规模使用木质纤维素原料仍面临重大障碍。将笨重的生物质从田间和林地运输到生物精炼厂成本高昂，而严苛的预处理可能产生毒害发酵微生物的副产物。回收酶和溶剂，并为每一条副产物流找到有利可图的用途，对于压低成本和减少环境影响至关重要。生命周期评估显示，与基于化石燃料的燃料和材料相比，设计良好的系统可以显著降低碳足迹，尤其是在协同生产燃料、化学品和先进材料时。然而，吸引投资并使生物精炼厂能够与既有化石燃料基础设施竞争，仍离不开支持性政策和明确的法规——例如燃料掺混要求以及对低碳产品的激励措施。

从内而外重塑植物

这项工作的一个显著特征是关注改变植物自身，而不仅仅是改进加工工厂。举例来说，木质素使木材坚固，但也使其难以分解。通过削弱或微调木质素的结构，研究者们已经培育出在不牺牲生长的情况下能产出更多糖和乙醇的树木和草类。基于 CRISPR 的新型基因组编辑工具现在可以对单个基因、基因组组合甚至控制这些基因何时何地表达的调控开关进行精确修改。科学家们开始编辑染色体以锁定如高产和抗旱这样的理想性状组合，并利用大规模 CRISPR 文库和机器学习模型来发现先前未知但影响生长、抗逆性或易加工性的基因。

展望以植物为动力的未来

作者总结认为，木质纤维素原料有望成为低碳经济的核心支柱，供应那些难以电气化的燃料以及用于建筑、包装和高科技设备的可再生材料。实现这一潜力需要协调的进展：更智能的生物精炼厂、更完善的植物改造与再生方法、用于定制细胞壁和应激响应的强大 CRISPR 工具，以及能预测哪些基因改动将在田间与工厂中带来回报的数据驱动模型。通过持续的研究、产业合作与政策支持，让植物直立的坚韧组织可能帮助人类社会更好地应对气候变化。

引用: Sulis, D.B., Lavoine, N., Sederoff, H. et al. Advances in lignocellulosic feedstocks for bioenergy and bioproducts. Nat Commun 16, 1244 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56472-y

关键词: 生物能源, 木质纤维素生物质, 生物精炼厂, CRISPR 基因组编辑, 可持续材料