我国微生物能源产业发展研究

顾洋 , 李昺之 , 李亚楠 , 张立慧 , 黄和

中国工程科学 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (3) : 259 -271.

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中国工程科学 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (3) : 259 -271. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2025.02.037
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我国微生物能源产业发展研究

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Development of China's Microbial Energy Industry

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摘要

随着化石燃料资源的日益枯竭和全球环境挑战的加剧，微生物能源作为一种可持续、清洁的能源替代品，在保障国家能源安全和推动经济社会绿色转型中具有重要战略意义。本文系统分析了我国微生物能源产业的发展现状、技术突破及面临的挑战，揭示了其在优化能源结构、促进绿色发展中的关键作用。研究发现，我国在微生物燃料电池、微生物油脂生产和微生物乙醇技术等领域已取得显著进展，但仍面临原料创新、核心技术突破和能源效率提升等挑战。未来，需通过强化政策引导、加速关键技术研发、构建高效产业生态集群等举措，推动微生物能源产业高质量发展。具体而言，高质量发展需聚焦以下方向：在技术层面，突破代谢通路优化、电化学耦合等核心技术瓶颈；在产业层面，完善原料供应链、降低生产成本、提升规模化应用能力；在政策层面，健全法律法规体系，加大资金与人才支持。通过技术创新与产业升级，微生物能源有望成为我国新能源体系的重要组成部分，为实现“双碳”目标提供支撑，同时为全球能源可持续发展贡献中国智慧。

Abstract

With the progressive depletion of fossil fuel resources and intensifying global environmental challenges, microbial energy has emerged as a sustainable and clean energy substitute, playing a pivotal role in safeguarding national energy security and advancing the green transformation of the socio-economic landscape. This study provides a comprehensive analysis of the current status, technological breakthroughs, and challenges of China's microbial energy industry, highlighting its potential to optimize energy structures and promote sustainable development. While China has achieved milestones in microbial fuel cell, lipid production, and ethanol technologies, critical challenges remain, including feedstock diversification, core technological bottlenecks, and energy conversion efficiency. To achieve high-quality development of the industry, China must prioritize policy-guided initiatives, accelerate research and development of key technologies, and establish efficient industrial eco-clusters. Specifically, high-quality development should focus on: (1) technological innovation, such as metabolic pathway optimization and electrochemical coupling; (2) industrial scalability, including cost reduction and supply chain optimization; and (3) policy support, encompassing legal frameworks and financial incentives. Through these efforts, microbial energy is expected to become a vital component of China's new energy system, supporting the national goals of carbon peaking and carbon neutrality while contributing to global energy sustainability.

Graphical abstract

关键词

微生物能源产业 / 能源安全 / 绿色转型 / 产业生态集群 / 合成生物学

Key words

microbial energy industry / energy security / green transformation / industrial eco-clusters / synthetic biology

引用本文

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顾洋,李昺之,李亚楠,张立慧,黄和. 我国微生物能源产业发展研究[J]. 中国工程科学, 2025, 27(3): 259-271 DOI:10.15302/J-SSCAE-2025.02.037

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一、 前言

全球能源需求不断增长而化石能源逐渐枯竭，寻找新的、可持续的能源来源已成为世界各国社会经济健康、绿色发展的首要任务之一[1]。微生物能源产业是指利用微生物的代谢过程产生能源物质，并将其转化为具有商业价值的产品和服务的一系列产业活动，涵盖了从微生物资源挖掘、微生物能源技术开发、微生物能源产品研发到市场应用的全过程。

微生物能源是一种可再生能源，能够丰富能源供应体系，减少对化石能源的依赖，从而增强能源供应的多样性和安全性。作为一个新兴的、具有广阔市场前景的产业，微生物能源产业的发展不仅有助于促进相关学科领域的技术创新，包括微生物学、合成生物学、生物化学、工程技术等，同时还将带动相关产业链的发展，如微生物菌种研发、生产设备制造、产品销售等，形成新的经济增长点。在国际能源价格波动以及地缘政治紧张局势影响下，发展微生物能源产业将有助实现能源产业结构优化，降低我国对外部能源市场的依赖，从而能够更好地保障国家能源安全。

面对推进经济绿色健康发展的重大机遇，微生物产业应积极谋划高质量发展，更好发挥应有作用，以技术创新为引擎，通过合成生物学和智能装备制造的深度融合，构建高效、低碳、循环的产业生态。一方面，突破菌种改造、代谢调控等核心技术瓶颈，提升能源转化效率；另一方面，完善政策支持体系，推动产业链上下游协同，形成规模化应用场景。此外，高质量发展还要求产业在资源利用、环境保护与国际竞争中实现多维平衡，最终为实现国家“双碳”目标提供可持续的解决方案。本文聚焦微生物能源产业发展的三大领域——微生物乙醇、微生物燃油及微生物燃料电池MFCs，以及其配套装备制造，全面调研并讨论这些领域的产业现状，剖析其未来发展趋势；在此基础上，归纳并提炼推动微生物产业持续健康发展的关键举措与策略，旨在为产业层面的宏观规划与基础技术研发工作提供科学参考。

近年来，微生物能源领域研究已从单一技术突破转向系统集成创新。国际研究主要聚焦于：微生物细胞工厂的理性设计[2]，多组学指导的代谢网络重构[3]，电 ‒ 微生物界面调控机制[4]。然而，现有研究多局限于特定技术方向，缺乏对我国微生物能源产业发展的系统性战略分析。本文创新性地构建“技术 ‒ 产业 ‒ 政策”三维分析框架，首次对比中美欧在能源产业方面的差异，提出基于我国资源禀赋的‘三步走’发展战略，将合成生物学与智能装备制造相结合，提出构建微生物能源创新生态系统的新范式。这些创新点可为我国实现微生物能源产业的跨越式发展提供理论支撑和实践路径。

二、 微生物能源产业发展需求分析

党的二十大报告中提出，到2035年要广泛形成绿色生产生活方式，这与微生物能源的可持续发展理念相契合。在众多可再生能源中，太阳能、风能、水能等已被广泛开发和利用，但存在间歇性、地理限制等问题。相比之下，微生物能源如生物柴油[5]、燃料乙醇[6]、微生物制沼气[7]、微生物制氢[8]和微生物发电[9]等，作为清洁可再生能源，其生产过程不受昼夜交替、季节变化等自然条件的限制，可实现稳定的能源供应。此外，微生物能源的原料来源广泛且可持续，可以通过光合作用或利用有机废弃物（如农业秸秆、食品加工废液等）进行生长和代谢，将太阳能和生物质能转化为高能量密度的燃料。例如，微生物油脂发酵技术旨在利用廉价碳源（如糖蜜）高产微生物油脂，显著降低发酵成本[10~12]。有研究表明，微生物利用碳水化合物生产油脂的转化率高达25%，以玉米秸秆中纤维素和半纤维素含量为70%来计算，每6 t作物秸秆就可产1 t菌油[13]。我国农林废弃物资源丰富，若能充分利用，进一步改良微生物对废弃物的适应性、提高微生物能源转化技术的效率，并进行规模化生产，提高微生物能源的经济性和可持续性，微生物能源转化将有望成为一种重要的可再生能源技术[14]。

能源需求日益增长，微生物能源作为一种新型可再生能源，能够缓解传统能源过度开采的问题，减少对化石燃料的依赖，降低资源枯竭风险，增强能源供应的稳定性[15]。从潜在规模来看，微生物能源具有巨大的开发潜力。全球每年产生大量的农业废弃物和有机垃圾，这些资源若能被充分利用，将为微生物能源的生产提供丰富的原料。以我国为例，每年产生的农林废弃物超过1×109 t，其中仅玉米秸秆的年产量就超过1×108 t。如果能够将这些废弃物的10%转化为微生物能源，理论上可生产超过1.6×107 t生物柴油，相当于减少约4.8×107 t CO2排放[16]。高效清洁的生物能源转化技术，也使微生物能源可以在净化生活污水和有毒工业污水、监测环境污染度以及推动生态环境保护方面提供有力支持。

微生物能源通过技术创新和多元化应用，革新传统能源行业的技术。① 微生物能源与传统化石能源的耦合利用成为技术创新的重要方向。例如，燃煤耦合生物质发电技术将生物质燃料与煤炭混合燃烧，既能降低碳排放，又能提高能源利用效率，为传统火电行业低碳转型提供了新路径，同时推动了生物质燃料“收 ‒ 加 ‒ 储 ‒ 运”体系的完善[17]。② 微生物能源的转化技术不断突破，如生物质热解、气化和液化技术的创新，显著提升了生物质能的转化效率和能源密度。③ 微生物的应用场景从发电拓展到供热、供气、生物燃料等多个领域，其中生物质航空燃料和生物柴油的研发与推广，为传统交通能源提供了低碳替代方案[18]。④ 微生物能源的高附加值利用模式推动了从单一能源生产向综合能源和材料生产的转型。 ⑤ 微生物能源行业引入物联网、大数据和智能化技术，实现高效管理和智能化监控，平衡技术创新与成本控制，可为传统能源行业的数字化转型提供借鉴。

三、 国际微生物能源产业的发展现状及趋势

（一） 产业布局和技术进展

当今世界，新一轮科技革命和产业变革深入发展，新能源和信息技术紧密融合，生产生活方式加快转向低碳化、智能化，能源体系和发展模式正在进入非化石能源主导的崭新阶段[19]。生物质能源作为最具潜力的可再生能源，已成为仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，迄今为止发布了国家级生物质能源相关政策的国家和地区超过50个[20]。作为地球三大生物之一的微生物具有种类繁多、分布广泛、代谢类型多样等特点，是至今尚未充分开发和利用的生物质资源宝库；基于微生物技术生产的能源具有可再生性强、安全性高、环境友好等优势，因此，开发微生物资源，创建微生物能源产业，已经成为时代发展的必然趋势。调查显示，2019年我国微生物能源行业的市场规模为1946.88亿元，2023年我国微生物能源行业的市场规模为2710.78亿元，同比增长10.22%[21]。

在发达国家和地区，微生物能源产业成为实现能源可持续发展的重要举措。① 美国2002年全面启动“后基因组”研究战略，为系统研究微生物在能源与环境领域的应用奠定基础。2008年对“后基因组”计划进行补充，计划在10~20年了解几千种微生物的基因组，为利用生物手段解决能源与环境问题铺平道路[22]。2022年，美国能源部宣布将拨款1.78亿美元用于生物能源研究，目标是将植物和微生物转化为生物能源并改善碳的储存，以实现美国政府2050年碳净零的经济目标[23]。② 2019年，欧洲能源研究联盟发布《生物能源战略研究与创新议程》，优先开展生物质生化转化制备生物燃料和生物基产品的研究，开发新型微生物系统，提高当前生物燃料工厂的转化率和能源效率[24]。2023年，欧洲生物能源技术与创新平台（ETIP Bioenergy）发布《2023年生物能源战略研究与创新议程》，建议通过多种策略扩大厌氧发酵的原料种类，解决生产过程中微生物对有机或无机污染物的耐受性问题，促进来源可持续的生物质能生产和转化，以确保能源安全[25]。③ 2012年，英国发布《英国生物能源战略》，引导生物能源可持续发展，预计到2050年，生物能源在英国主要能源供应中的比例将翻一番[26]。2023年，英国商业、能源与产业战略部宣布投入3700万英镑，支持生物质原料可持续生产及生物质制氢技术，助力英国摆脱对化石燃料的依赖，重点支持开发与微生物暗发酵、厌氧消化相结合的新型生物氢技术，保证能源与环境安全[27]。④ 2018年，日本新能源产业技术综合开发机构宣布在“区域性生物质利用系统实证研究计划”框架下资助23亿日元，支持拥有不同生物质资源的地区发展具有区域特色的生物质利用系统如供热、发电等，以应对气候和能源挑战[28]。2021年，日本修订“J-credit”制度以振兴碳信用认证机制，提出扩大液体生物燃料（生物柴油、生物乙醇、生物油）可替代化石燃料或者电力的范围，保障能源安全。

从世界微生物能源产业链来看，上游以技术服务公司为主，包括菌种筛选、设计、改造等，为行业提供菌种支持；中、下游公司以具体应用的场景为主，利用微生物制备生物乙醇、生物柴油、生物电池、生物燃气等，在生产能源的同时减少对环境的污染，实现能源的可持续发展。美国公司在微生物能源开发领域占有优势地位，技术先进且分布密集。随着现代信息技术、生物技术、计算机技术、先进制造技术、高分子材料等领域取得的重大科学突破，“互联网+”、大数据和人工智能将为微生物能源带来新的机遇，多学科深度融合将成为未来发展的必然趋势，微生物能源开发利用将呈现多元化、智能化和网络化的发展态势。生物能源是世界上使用最广泛的可再生能源，约占全球能源供应的10%，到2050年生物能源具有年替代6.825×109~1.024×1010 tce的潜力，每年最高可减排CO2 2.3×1010 t[29]。生物能源的转化使用离不开微生物技术的应用，随着全球对可再生能源的需求不断增加，以微生物技术为基础开发利用的生物能源将占据主导市场。

（二） 发展趋势

当今社会，能源结构调整趋势日趋明朗，对生物能源生产提出了更高要求，有必要立足生物能源生产的客观实际，灵活运用微生物要素，促进生物能源生产效能的改进提升。各国对工业微生物开展基因组研究，利用TALEN、ZFN和CRISPR/Cas等基因编辑技术，设计产生新的代谢途径和发酵产物，推动微生物能源的迅速发展。

随着国际社会对保障能源安全、保护生态环境、应对气候变化等问题日益重视，世界主要国家都提出了明确的微生物能源发展目标，制定了相关发展规划、法规和政策，促进可再生的生物质能源发展。美国用玉米总产量的40%来生产燃料乙醇，通过发酵，由淀粉转化为乙醇，再加以提纯分离，最终得到可以与汽油掺混的无水燃料乙醇，同时在制度层面鼓励清洁能源的使用。2022年，美国燃料乙醇产量达4.599×107 t，约占全球总产量的55%，位居世界第一[30]。巴西是全球最大的利用甘蔗生产乙醇的国家，已经建成较为完整的生物燃料产业链。从甘蔗种植、生产燃料乙醇、制造燃料乙醇汽车、建立燃料乙醇供应站，成功构建了一个遍布全国的“产供销”一体化网络[31]。巴西甘蔗与生物能源协会（UNICA）的数据显示，2014—2023年，甘蔗乙醇的产量稳定在2.67×1010 L左右。我国在全球燃料乙醇产量中占比较低，仅占全球总产量的3%，截至2022年我国玉米燃料乙醇的产量约为2.23×106 t[32]（见图1）。目前我国生产燃料乙醇所消耗玉米的数量对玉米供需结构的影响十分有限，未来仍有巨大的发展空间。除了燃料乙醇的生产，北欧的生物质发电、德国的生物燃气等生物能源产业也发展迅速，微生物已成为现代新能源生产中的重要载体。

当前，国际合作模式主要包括：① 联合研发。通过政府间科技合作计划建立联合实验室或创新联盟，共同攻关关键技术瓶颈[33]。② 技术转移与产业化协作。发达国家通过专利授权或合资企业模式向新兴市场输出核心工艺，而我国在低成本发酵系统集成、废弃物资源化利用等领域具备反向技术输出潜力[34]。③ 国际标准与数据共享。国际标准化组织、国际能源署等组织正推动微生物能源技术标准统一，而全球开放科学平台促进了菌种资源和代谢机制研究的跨境协作。在国际合作中，我国依托丰富的非粮生物质原料和特殊环境微生物资源，吸引国际团队联合开发差异化技术。此外，“一带一路”倡议可推动微生物能源技术在发展中国家的适应性推广，形成技术 ‒ 市场双循环[35]。然而，我国仍面临着技术壁垒与知识产权竞争，以及国际规则参与度不足等挑战，未来需强化“基础研究 ‒ 产业转化 ‒ 标准引领”的全链条国际合作，同时构建自主可控的技术创新生态。

我国微生物能源产业与欧美发达国家相比仍存在显著的技术差距[36]，主要表现在产业发展历程、核心工艺技术和菌种性能三个维度。从发展历程来看，美国早在1978年即通过《能源税收法案》推动燃料乙醇产业化，巴西在1975年启动“国家乙醇计划”，而我国直至2001年才开始规模化发展生物燃料，产业化进程滞后近30年。在核心工艺技术方面，美国杜邦（DuPont）公司采用运动发酵单胞菌的2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径生产纤维素乙醇，其葡萄糖转化率高达98%，而我国主流酿酒酵母的糖酵解途径转化率仅为90%~93%，存在5~8个百分点的效率差距[37]。从产业经济性方面分析，我国生物燃料生产成本较发达国家高出20%~30%，若通过技术升级和政策优化实现突破，预计可释放约300~450元/t的成本压缩空间。具体而言，在原料成本方面，美国玉米价格长期维持在1500元/t以下，而我国因耕地资源限制导致玉米均价达2000元/t，若能通过非粮原料替代和种植效率提升降低15%~20%的原料成本，可节省300~400元/t；在酶制剂方面，我国水解酶国产化率仅占所有酶制剂的10%[37]，若实现50%国产化目标，酶成本将大幅降低；我国的菌种性能不足，如美国阿米瑞斯（Amyris）公司开发的法尼烯生产菌株产量达104.3 g/L，而我国同类技术尚处于实验室阶段（2.56 g/L）[38]，若通过代谢工程改造将产量提升至80 g/L以上，单位生产成本可降低25%~30%。综合测算显示，通过多维度技术攻关，我国微生物能源产业具备将生产成本从当前的5500~6000元/t降至4800~5200元/t的潜力，经济性提升空间显著。

四、 我国微生物能源产业分析

（一） 细分产业发展现状

1. 微生物燃料电池

MFCs利用电活性微生物的代谢活动，将有机物直接转化为电能，具备废水处理与能量回收的双重功能，其技术开发与应用已覆盖多个领域[39~41]。目前，我国的MFCs研究集中于电极材料优化、电活性微生物的筛选与改造以及电化学性能的提升[42]。其中，高性能电极材料的开发是核心研究方向，目前多孔碳材料和纳米材料的应用已取得突破性进展。此外，基因工程技术被广泛用于改造电活性微生物，通过增强胞外电子转移通路，提高电子传递效率[43,44]。

在应用层面，MFCs技术逐步进入实际场景，如城市污水处理、工业废水净化以及小型能源供给等方面[45]。我国部分试点项目已实现废水处理过程中的电能回收初步成功，但整体仍处于实验室向工业转化的过渡阶段[46,47]。然而，MFCs技术的产业化仍面临电化学效率较低、系统稳定性不足和生产成本高昂等多个挑战[48]。

2. 微生物油制备

微生物油是一种可再生生物能源，依赖于微生物通过自身代谢活动将碳源转化为油脂或类似化合物，是生物柴油和其他高附加值化学品的重要来源[49]。近年来，我国微生物油制备产业获得显著发展，主要集中在高效菌株筛选、代谢工程优化以及发酵工艺改进等领域。研究重点在于利用酵母、真菌和微藻等微生物进行油脂生产。其中，酿酒酵母和米曲霉因生长速率快、培养条件易于控制等优势，被广泛用于工业化试验[50]。此外，基因工程技术进一步增强了这些微生物的脂质合成能力，例如，通过过表达乙酰辅酶A羧化酶和脂酰辅酶A合成酶等关键酶，显著提高了油脂积累水平。同时，微藻因其光合能力和高油脂产量而受到广泛关注。研究人员开发了多种培养策略，如混合培养模式和营养胁迫诱导，以提升油脂产量[51]。然而，微藻油的高生产成本仍是产业化的主要障碍。此外，在工艺层面连续发酵和动态补料策略的应用显著提高了微生物油的生产效率。部分示范工程已成功探索以餐厨垃圾或工业废液为原料的低成本油脂生产模式，为未来规模化生产提供了技术储备。

3. 微生物乙醇及其装备制造

与传统的乙醇生产技术相比，微生物生产乙醇具有生产成本低、环境友好等优势，因此备受关注[52]。目前，微生物生产乙醇技术已经取得了一些重要的进展。首先，在微生物菌种改良领域，通过基因工程技术对酵母菌等微生物进行改良，大大提高了生产乙醇的效率和产量。其次，在发酵工艺控制方面，利用生物反应器等装备实现对发酵过程的精密控制，提高了乙醇的产出率。最后，在生物质转化领域，对于利用废弃农作物秸秆、木质纤维等作为原料进行乙醇生产的研究也取得了一定的成果[53]。

微生物生产乙醇的规模化实现依赖于配套的先进装备制造技术，这一领域是支撑微生物乙醇生产技术向工业化应用转化的核心环节。同时，智能化工厂的建设与工厂管理的智能化转型，已成为推动产业升级和技术迭代的关键发展方向[54,55]。传统的发酵罐、分离设备、蒸馏塔等装备已经被广泛应用于微生物生产乙醇的工业化生产中。而新型的发酵设备、生物反应器、分离膜等技术也在不断涌现，推动着微生物生产乙醇装备制造的发展。

目前，我国微生物能源产业在核心技术研发方面已形成特色技术体系，但与全球领先水平相比仍存在显著差异。美国、德国、日本等在微生物合成生物学、基因编辑工具开发、高附加值生物制品等领域占据主导地位[56]。美国在合成生物学驱动的高效菌种构建和商业化应用方面领先[57]，德国在工业酶制剂和废弃物定向转化技术方面具有优势[58]，我国在低成本系统集成、废弃物资源化以及规模化应用方面具有显著优势：秸秆等混合原料发酵技术达到国际并跑水平（如中粮集团有限公司的纤维素乙醇示范项目）[59]。2022年，我国燃料乙醇年产量约为2.7×106 t，是世界第三大燃料乙醇生产国[60]。目前，我国微生物能源产业正处于从“规模扩张”向“质量提升”转型的关键期，通过发挥应用场景优势、强化基础研究投入，有望在未来5~10年内形成“基础研究 ‒ 技术开发 ‒ 产业输出”的完整创新链条，最终实现从“技术跟跑者”到“局部领域领跑者”的跨越。

（二） 产业发展趋势分析

1. 开发优质资源，降低生产成本

MFCs的开发需要进一步优化电极材料、微生物群落的选择以及操作条件的控制；克服成本、工程设计、操作复杂性等方面的挑战；通过优化MFCs的结构、开发廉价高效分离膜、优化运行参数、推广空气阴极等方面，降低MFCs的成本。为提高微生物转化低劣底物合成高附加值产品的效率，不仅需要发展高效的底物处理技术，还需要筛选能够利用和耐受低劣底物的优质菌株，以扩大工程菌株的底盘丰度。

2. 现代生物技术助力科技创新

通过筛选、改造微生物，利用可再生资源高效生产具有经济效益和社会效益的生物燃料已成为可持续生物制造的重大发展方向。基于系统生物学理解并设计细胞工厂生物燃料的合成途径与调控网络，利用合成生物学手段开发高产、稳产微生物细胞工厂是实现生物燃料经济生产的重要手段。基于深度学习、分子动力学分析、AlphaFold2结构预测等方法，结合对蛋白质功能的理解，并借助蛋白质的保守位点和晶体结构分析，开发生物燃料合成关键酶的定向改造及理性／半理性设计技术，可获得具有高活性、高选择性以及高稳定性的功能酶元件。借助人工智能技术与人工神经网络，对庞大的生物信息学数据进行分析及结构模拟，不仅能辅助定向进化，还可以实现蛋白质的从头设计，以此为基础可以创造非天然代谢途径和产品，拓展生物合成产品的边界。

在产油微生物的菌种选育和改造方面，利用现代生物技术继续探索选育优质菌种；利用基因工程或共培养技术，强化产油微生物对廉价原料的适应和利用。在产油微生物的培养方面，攻克培养产油微生物的高碳源成本和低油脂产量等问题，大幅提高微生物油脂在实际应用中的竞争优势。油脂提取能耗大、成本高，是影响微生物油脂工业化生产的重要原因。因此，还需进一步提升油脂提取工艺，并构建废弃物收集、微生物油脂合成、生物柴油生产、废弃物收集的绿色闭合循环系统。

随着现代生物技术和合成生物学研究的不断发展，能源微生物研究在生物炼制和绿色化学理念指导下，将持续改善过程的综合技术经济性，最终为绿色生物制造提供可靠技术。

3. 提高资源利用效率

在构建高效工程菌株的过程中，需清晰认识不同工程菌株的代谢网络、模块、元器件以及代谢调控机制，充分利用先进的合成生物学技术手段，有目的地改造菌株，提高现有菌株的资源转化率。在此基础上可以通过耦合发酵过程强化来提高目的产物合成产量。在未来的发展中，开发优质工程菌株生产的新工艺、新技术和新装备，降低消耗、提高产率，对微生物能源产业的可持续发展具有重要意义。

（三） 产业发展面临的挑战

1. 技术瓶颈限制能源转化效率

一是代谢通路优化不足。微生物代谢通路极其复杂，涉及大量酶促反应和代谢中间体的转化[61]。现有的基因编辑技术虽然取得了一定进展，但对于限制性代谢环节的调控尚不完善。例如，碳流在能源分子（如脂肪酸或氢气）合成途径中的分配效率普遍较低，导致目标产物的产量受限。近期研究通过靶向gRNA引导的Cas9-NTC系统结合供体脱氧核糖核酸模板，成功构建了四基因缺失的工程菌株，使乙醇产量提升18.58%。然而代谢组学分析显示，改造菌株发酵液中仍残留1.4 g/L的甘油[62]，表明需要进一步优化碳流分配效率。此外，某些关键酶的催化活性和稳定性不足，也进一步阻碍了能量转化的效率[63]。例如，表达大肠杆菌来源的果糖-1,6-二磷酸酶（EcFBPase，不受果糖-2,6-二磷酸抑制）使酿酒酵母的乙醇产量提高8.8%，但6-磷酸葡萄糖酸脱水酶（PGDH，一种铁硫簇蛋白）在真核系统中的异源表达面临严重挑战，其酶活基近于无，无法提升酿酒酵母中乙醇的产量[64]。这些发现凸显了当前代谢工程的两大瓶颈：碳流定向调控的精确性和关键酶元件的适配性。未来需要依赖系统生物学工具和代谢流分析，结合多组学数据挖掘潜在的代谢靶点，以实现通路的精准优化。

二是电化学耦合技术不成熟。MFCs是微生物能源技术的典型应用，但由于电子穿越胞外电子转运链时受到损失，导致MFCs的电极与微生物之间的电子传递效率仍然较低[65]。实验数据表明，在采用石墨烯 ‒ 聚苯胺纳米复合阳极的底栖MFCs系统中，当外阻为150 Ω时仅能实现1.05 mW/m2的功率密度和87.71 mA/m2的电流密度[66]。电极材料的导电性不足问题尤为突出，研究发现石墨烯/ZnO纳米复合阳极虽较纯石墨烯阳极有显著提升[67]，但仍未达到商业化要求。此外，电极材料的导电性和微生物附着能力也亟待改进。在质子交换膜方面，添加4 wt.%氧化石墨烯可使质子电导率提升至0.128 S/cm，离子交换容量达0.33 meq/g[68]。值得注意的是，即便性能最优异的石墨糊 ‒ 杂化石墨烯阴极（220 mW/m2）仍面临长期运行稳定性问题[69]。这些研究表明，开发高表面积、多功能化电极材料可有效改善电化学耦合性能，但这一领域的技术突破仍有待进一步深化[70]。

三是工业应用的稳定性问题。微生物在工业环境中的稳定性是影响生产效率和连续性的关键因素。外界环境的波动（如温度、pH或溶解氧浓度）可能导致微生物活性下降，甚至失活[71]。此外，在长时间运行过程中，微生物群落组成可能发生变化，从而影响能源产出和系统稳定性[72]。因此，需开发具有较强耐受性的工程菌株，同时优化工艺控制策略以应对工业环境中的多变条件。

2. 成本高昂制约商业化应用

微生物能源的生产设备和关键材料技术门槛较高，研发与设备投入成本高昂。例如，高性能电极材料、微生物精准编辑工具和规模化培养系统的研发均需要大量资金投入[73]。此外，与微生物培养和能源转化相关的设备，如生物反应器和电化学测量仪器也极为昂贵[74]。成本高昂不仅限制了小型企业的进入，也降低了行业的整体技术创新能力。

生物质原料是微生物能源生产的基础，但我国在生物质废弃物收集与转化方面的基础设施仍待完善，导致原料供应链不完善。例如，农业废弃物、工业副产物等潜在生物质资源的分布不均、收集难度大，导致原料供应不稳定。此外，生物质转化效率低也进一步制约了原料的利用率，从而影响了生产过程的经济性和稳定性[75]。

微生物能源虽然具有清洁环保的优势，但其单位生产成本显著高于化石燃料和其他新能源技术[76]，导致能源价格竞争力不足。尤其是在当前能源市场价格敏感的情况下，微生物能源难以在价格上与传统能源竞争[30]。因此，降低技术成本、提高经济效益是实现微生物能源商业化的关键。

3. 政策支持力度不足

微生物能源技术的发展需要完善的法律法规支持，包括技术研发的标准化规范、市场准入机制以及环境监管政策等。然而，我国在此领域缺乏专项法规，导致在技术推广和产业化过程中存在一定的不确定性。

与风能、太阳能等传统新能源相比，微生物能源的企业补贴、税收优惠和科研经费支持仍显不足。较为有限的激励措施，不仅影响了企业对技术投资的积极性，也降低了科研机构在技术开发中的创新动力。

4. 环境影响与资源消耗问题

生物燃料在发酵过程中通常会产生大量废水和有机废弃物[77,78]，这些副产物若未得到妥善处理，不仅会对环境造成污染，还会显著增加生产成本。因此，开发高效的副产物处理技术是微生物能源产业化的关键。

微生物能源生产通常需要消耗大量水和土地资源。尤其是在水资源紧张或土地利用竞争激烈的地区，微生物能源的推广将面临严峻挑战。此外，资源投入与产出效率的不对等也限制了技术的可持续性[79]。

基因改造微生物的推广应用，潜在的生态风险不容忽视。例如，外源基因通过水平基因转移扩散到自然生态系统中，从而影响本地微生物群落的平衡。因此，加强基因工程微生物的生态风险评估和监管至关重要。

五、 推动我国微生物能源产业发展的重点举措

（一） 加速推进关键核心技术的研发与突破

研发成本低廉且易于获取的新一代原材料，并倡导在原材料产地直接设立生产基地，从根本上降低原料采集、储存及运输过程中的生产成本。在原料转化环节，需平衡考量经济效益与成本支出，力求最大限度地降低能源消耗，同时减少抑制剂与废物产生。当前研究趋势可聚焦于对生产工艺流程实施精细化优化，开发清洁高效的生产工艺；或是对既有工艺进行革新升级，通过融合多种转化技术，实现转化效率的显著提升；进一步完善工艺技术的集成化操作体系，以支持其顺利过渡到规模化生产阶段，从而满足市场需求并促进可持续发展。

微生物细胞工厂是绿色生物制造的核心，综合系统生物学与合成生物学技术，设计、改造微生物底盘细胞，实现廉价生物质向高附加值产品的转化。在此过程中，物质代谢和能量代谢是主要的改造靶点。运用代谢工程策略如适应性进化、辅因子工程、启动子工程等提升产物产量。结合生物支架、人工细胞器等实现代谢精准调控。人工智能助力设计优化，结合组学数据与模型，构建高效生物质代谢途径。

在控制成本的同时，研发高效反应器，优化系统组件，模拟最佳运行条件，与现行工艺耦合联用，提升规模与效率。对于MFCs，可利用微流控技术实现微型化、仿真研究多场耦合机制、开发低成本高效电极材料等措施降低成本并提升性能。现阶段，绝大部分的目标产品合成距工业化生产尚远，亟待实现产量及产率的突破。工业生产环境复杂多变，常致工程菌株性能下降。借助适应性进化、关键抗逆原件开发、合成路径与代谢网络的适配性优化、发酵工艺和智能控制升级等策略提高重组菌株的生产性能与鲁棒性。现有产物提取技术多限于实验室，均有局限性，未广泛应用。建立高效、低毒、经济的工业提取方法，对于促进我国绿色制造产业的发展具有重大意义和多重效益。

推进微生物能源产业科技创新系统布局需基于微生物能源独特的转化机制及丰富的能源微生物种类，加快发展能源微生物基因改造、微生物能源转化技术创新、微生物能源转化效率提升等关键技术；以技术突破为引领，有效整合各类要素资源，打造微生物能源产业可持续发展新路径，积极应对未来全球面临的能源供应、环境保护、气候变化、经济发展等重大挑战。全力推动新技术攻关试点，创新体制机制，加快培育微生物能源替代的新场景、新模式、新业态，因地制宜发展生物天然气和生物柴油、生物航煤等绿色燃料，积极有序发展可再生能源制氢，建立微生物能源与传统能源协同互补、梯级综合利用的供给体系。

（二） 强化政策对产业发展的前瞻性引领和精准性支持

① 深化产学融合，促进教育链、人才链与产业链、创新链的有机衔接，构建协同发展的产业与教育体系。② 设立专项基金，重点支持微生物能源产业的研发与扩建等。③ 通过直接补贴、税收减免、贷款贴息等多种方式，加大对企业的支持力度，激发行业活力，同时，建立灵活的补贴调整机制，确保资金精准高效使用。④ 扶持技术领先企业，通过树立行业标杆，激励其他企业提升竞争力，形成良性竞争生态。⑤ 简化科技成果转化流程，降低准入标准，缩短转化周期。⑥ 建立健全微生物能源市场的监测与预警机制，把握市场动态，科学预测供需变化趋势。⑦ 建立科技成果评估与交易平台，促进科技成果与市场需求的有效对接。⑧ 积极推广科技成果，鼓励多元化应用，拓展微生物能源应用场景，提升市场接受度。⑨ 加强知识产权保护，保障科技创新环境。

健全面向微生物能源产业发展需求的政策支撑体系，需注重微生物资源政策布局的宏观规划，将微生物能源发展成为清洁能源领域的主力军和国家战略性新兴能源产业。统筹各方力量，完善配套政策，加快资金、技术、人才等要素向微生物能源开发领域集聚，形成政府引导、市场主导、社会参与的能源开发格局，加速微生物能源技术的研发与产业化进程。推动建立类似微生物产业的政策体系，重点支持具有开创性、引领性、长远性、重大核心关键的微生物能源高新技术研发，鼓励企业、科研机构、高等院校与国际企业携手搭建创新合作平台。

（三） 构建优质产业生态集群

建立微生物资源共享平台，提升科研专利集中度，提升我国的微生物能源技术在国际市场上的专利保护价值，加快科技成果及专利成果转化，推动创新产品应用。构建生态产业集群，实行资源循环利用和综合利用，形成经济效率高、生态功能强的新型产业集群。通过主副产业衍生、多种产业共生及动脉与静脉产业循环等模式，促进微生物能源产业的协同发展。

生物质能源作为一种重要的可再生、绿色、清洁能源，在能源安全与环境保护方面具有巨大优势，是理想的化石燃料替代品，具有广阔的发展空间。全球对生物质能源的需求日益增加。目前，在政府以及相关技术部门的共同支持下，建立健全我国自主可控的可持续认证体系、完善产业政策支持体系，以关键技术的创新攻关为重点，促进产学深度融合，构建优质的产业集群，尽快实现生物质能源的清洁高效利用，进而驱动微生物能源产业迈向更加健康、可持续的发展轨道。

加快培育微生物能源特色产业集群，借助“微生物能源开发利用科学平台”“微生物能源技术创新中心”的建设机遇，创新发展微生物能源技术，调动企业在产业化链条中的核心驱动力，完善“科研 ‒ 教育 ‒ 生产 ‒ 应用”四位一体的协同创新机制，加快科研成果向现实能源生产力的转变，打造微生物能源技术创新与产业化深度融合的发展模式；合理吸纳国际领先技术，强调技术内化与二次创新，重点培育特色突出、效益领先的微生物能源产业集群；提炼区域产业发展精髓，主动拓展至国内能源企业，力求广泛推广并构筑国家能源战略优势，充分发挥微生物能源作为新兴产业的引领示范作用，打造微生物能源产业集群优势，为产业合作赢得更大舞台。

六、 结语

微生物能源作为应对能源危机和环境挑战的战略性新兴产业，在我国能源转型和“双碳”目标实现进程中具有重要战略意义。本文系统分析了我国微生物能源产业的发展现状、技术突破及面临的挑战，揭示了其在保障能源安全、优化能源结构、促进绿色发展等方面的关键作用。从促进能源产业的可持续发展、确保国家能源供应的稳定性、激发传统能源行业的技术革新以及减少环境污染和维持生态平衡等多方面审视了微生物能源产业发展的多维度需求，国际微生物能源产业的发展态势和技术进步揭示了该领域在全球能源转型中的战略地位。

当前，我国在MFCs、微生物制氢、生物乙醇等领域已取得显著进展，但仍需在菌种改良、工艺优化、规模化生产等核心技术上实现突破。未来，应加强顶层设计，完善政策支持体系，推动“产学研”协同创新，构建完整的产业链条，同时注重资源循环利用和生态环境保护。通过技术创新和产业升级，微生物能源有望成为我国新能源体系的重要组成部分，为全球能源可持续发展贡献中国智慧和中国方案。这一战略性产业的发展，不仅将助力我国能源结构的绿色转型，更将推动生态文明建设和经济高质量发展迈上新台阶。

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中国工程院咨询项目“中国微生物安全与健康产业发展战略研究3”(2024-XZBD-13)

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