传统生物质炼制需经过预处理、酶解和木质素解聚等步骤，存在利用率低、成本高等问题。烟叶通过热水处理即可以溶解65%以上的物质，表明其具有利用简单和利用率高的潜力。研究以可利用边际土地种植的烟叶作为生物炼制原料，为解决传统生物炼制存在的问题提供有效途径。

导读

生物质发酵技术可实现生物基产品的绿色可持续生产，是解决能源与环境危机的重要手段。传统生物质炼制存在“与人争粮”和“与粮争地”以及利用率低和成本高等问题，限制了生物质能源的利用。中国科学院青岛能源所联合中国农业科学院烟草研究所等国内外九家科研院所，创新烟叶炼制路线，突破能源作物技术瓶颈，减少碳排放，助力低碳高效生物炼制的发展。

图1 烟叶作为能源植物应用的优势

生物炼制（Biorefinery）是利用天然可再生原料，以低碳、高效、生物的方式合成化学品的生物发酵技术。该技术从根本上改变了化工、医药、能源等行业高度依赖化石原料的加工模式，也避免了“高污染、高排放”和不可持续的问题，是生物经济战略性新兴产业的发展方向。但是，传统的生物炼制过程预处理工艺和步骤较为复杂。同时，该过程存在原料利用效率低、成本高和土地利用变化造成碳债等问题。因此，寻找合适的生物质原料、提升生物炼制路线、开发经济有效的预处理和水解方法、最大限度地提高原料利用率和减少环境影响和能耗，是进一步完善生物炼制的重要策略，对于规模化利用生物质能源、实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。

图2 烟叶与传统生物质原料成分对比

中国科学院青岛能源所张海波、中国农业科学院烟草研究所王倩和韩国科学技术院Sang Yup Lee团队创新性地发现，烟草可作为能源作物实现生物质能源的高效低碳利用，助力生物炼制的可持续发展。与传统的生物质原料对比，烘烤后烟叶具有水溶性高、含氮量高和木质纤维素含量低的特点（图2）。烟叶加水灭菌后即可获得营养全面且丰富、生物相容性强的液体。该液体可作为培养基直接用于培养原核和真核生物，也可直接用于生物基燃料和生物基化学品的生物合成（图3）。

图3 烟叶培养基用于原核生物和真核生物的生长和发酵

生物炼制的发展先后经历了“与人争粮”和“与粮争地”的困境，通过能源作物种植在边际土地的策略，不仅可以完美化解这一矛盾，还解决了能源作物种植带来的土壤碳债问题。烟草是一种抗逆性强、耐盐碱、生物量大、易于基因改造的大田作物，能够很好地适应边际土地的环境。研究团队根据对全球的不可耕种土地的现状调研，目前全球贫瘠或植被非常稀疏土地的总面积为6.35×10¹⁰公顷，年平均气温为17.4 ^oC，年平均降水量为615.7 mm。基于烟草的生长特性，将其种植于边际土地，估计每年最少可产出1.17×10¹⁰ Mg烟叶，理论可产出2.21×10¹²L乙醇。

生物乙醇是一种经济可行、环境友好且可再生的能源，也是全球范围内使用最广泛的生物燃料。为评估烟草作为能源植物的环境效益，本研究采用基于Aspen Plus过程模拟的生命周期评价方法，对比研究了烟叶乙醇和秸秆乙醇的生命周期碳排放及耗能。结果表明，烟叶乙醇的碳排放量为1.84 kgCO₂e/kg，耗能为90.34 MJ/kg。与玉米秸秆乙醇相比，烟叶乙醇碳排放量减少了约27%，能耗减少了约26%。其中，生物转化阶段的碳排放量减少了约76%，耗能减少了约81%（图4）。因此，本研究通过烟叶直接灭菌作为培养基，省略了两个步骤，极大地优化生物炼制的路线，减少碳排放，为真正实现生物能源利用的碳负排放奠定了基础。

图4 烟叶乙醇和秸秆乙醇的生命周期评价

总结与展望

能源作物作为生物质原料重要的组成部分，有望高效助力绿色能源体系的构建。烟草作为一种利用前景广阔的能源作物，其进一步规模化应用，还需烟草种植和合成生物学等多个领域或学科全面而系统的研究。本研究旨在抛砖引玉，以吸引更多科研工作者从多领域、多学科、多层面、多角度深入挖掘和探讨烟草作为能源作物的优势，推动烟草生物质的高效开发和利用，充分发挥生物质能源在双碳战略中的作用。

责任编辑

方娟北京科技大学

周航宇中国安全生产科学研究院

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第五期以Report发表的“Tobacco as a promising crop for low-carbon biorefinery” (投稿: 2024-03-14；接收: 2024-08-13；在线刊出: 2024-08-16)。

引用格式：Wang F., Jiang X., Liu Y., et al. (2024). Tobacco as a promising crop for low-carbon biorefinery. The Innovation 5(5), 100687.

作者简介

张海波，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，系统微生物工程研究组组长，博士生导师。主要研究方向为微生物开放式发酵和代谢工程。相关工作以通讯（含共同通讯作者）或第一作者在Nat Commun（期刊Highlight文章）等刊物上发表SCI论文50余篇，引用超2600余次，申请专利50项（已授权20项）。2016年入选中国科学院青年促进会会员，2017年获中国工程院设立的第三届“闵恩泽能源化工青年进步奖”，2019年入选“泰山学者青年专家”，2020年获批“山东省杰出青年基金”并担任项目负责人，2021年荣获“青促会优秀会员”等荣誉称号。

王倩，中国农业科学院烟草研究所研究员，博士生导师。主要从事烟草基因功能组学、烟草逆境生物学等方面的研究。2023年入选中国农业科学院青年英才院级人才。先后主持中国农科院人才项目、国家自然科学基金面上项目、烟草行业烟草基因组计划重大专项、山东省自然基金等项目；相关工作以第一或通讯作者在Plant Cell Environ、Environ Exp Bot、Food Res Int、 Front Plant Sci等期刊发表论文40余篇；《烟草突变体》副主编；获国家发明专利8项。

Sang Yup Lee，韩国科学技术院、韩国工程院院士，中国工程院、美国科学院、美国工程院外籍院。国际合成生物技术领域的顶尖科学家，开创了系统代谢工程实现了工业生物炼制微生物细胞工厂的更高效开发。相关工作在Nature、Nature Catalysis、Nature Biotechnol.、Nature Protoc、Nature Chem Biol、Nature Comm、Sci Adv、Angew Chem Int Edit、PNAS等期刊发表论文751篇。

往期推荐

可再生能源电力多元转换和绿色电子化学品将重构工业发展之路

液态载氢体：链接可再生能源以实现碳中和的未来

吸附式大气水利用技术：清洁低碳的供热和供冷新范式

推动新型电力系统与零碳交通协同的碳中和发展

未来建筑能源的零碳新范式：基于太阳能与太空冷能的电、热、冷同步联产

超高效的环境友好型热驱动热声制冷系统

碳循环视角下跨流域调水输水方式优化与水质保障

电热联用助力CO₂转化，开启负碳排放新时代

非灾害性天气对新能源电力系统的灾害性影响

挑战电池的高能量密度极限之路

冷湿环境下第三极草地土壤碳储量趋于更高

基于30米分辨率林龄评估未来中国森林的增汇潜力与降汇风险

期刊简介

The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。