利用 CO2和 H2生产富含蛋白质与叶酸的微生物生物质，为未来粮食供应带来新曙光

《BIOspektrum》：Ern?hrung der Zukunft: Protein und Folat aus CO2 und H2

为解决全球粮食短缺、营养失衡及环境问题，研究人员开展用 CO2和 H2生产微生物蛋白和叶酸的研究，发现酵母可高效合成，意义重大。

　　### 全球粮食困境催生的创新研究
在当今世界，人口增长的脚步从未停歇，全球 81.6 亿人口，每年还新增 8000 万。这一庞大的数字背后，是日益严峻的粮食问题。粮食不仅要满足数量需求，其营养价值却在不断下降，同时传统的粮食生产方式还对环境造成了巨大破坏。粮食危机的阴影笼罩着全球，约 9% 的人口正遭受饥荒，而因饮食结构单一导致的微量营养素缺乏问题也困扰着约 20 亿人，尤其在中低收入国家，这一问题严重阻碍了社会经济发展。不仅如此，农业占用了近一半的可居住陆地面积，还贡献了全球约 26% 的二氧化碳当量（CO₂-eq.）排放，传统农业已难以满足不断增长的粮食需求。

在这样的背景下，德国图宾根大学（Eberhard Karls Universit?t Tübingen）环境生物技术工作组的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们致力于开发一种全新的粮食生产方式，研究成果发表在《BIOspektrum》上，为解决粮食和环境问题带来了新希望。

关键技术方法

研究人员采用了两步微生物蛋白生产系统（“Power-to-Protein”，PtP），后进一步发展为 “Power-to-Vitamin”（PtV）工艺。首先，在第一步（阶段 A）利用热厌氧杆菌（Thermoanaerobacter kivui）将 CO₂和 H₂转化为乙酸盐；接着，在第二步（阶段 B），酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）以乙酸盐为底物生长并产生蛋白质和叶酸。研究过程中对微生物细胞内的蛋白质和叶酸含量进行了测定分析12。

研究结果

1. 乙酸盐作为理想原料：研究团队开发的两步法中，阶段 A 使用热厌氧杆菌将 CO₂和 H₂转化为乙酸盐。该细菌仅需一些盐和铵作为氮源就能固定 CO₂，无需添加昂贵且制备复杂的维生素，实现了低成本、低资源消耗的乙酸盐生产，为后续的维生素和蛋白质生产提供了优质原料12。
2. 叶酸的合成与富集：研究发现，生物反应器中无论是厌氧的阶段 A（热厌氧杆菌）还是需氧的阶段 B（酿酒酵母）都能从 CO₂和 H₂生产叶酸。在阶段 A 中，叶酸留存于细胞内，无法用于酵母细胞的进一步补充；而酿酒酵母在以乙酸盐为底物生长时，细胞内可富集高浓度叶酸，约为 6.5mg/100g 细胞干重（ZTG），与以葡萄糖为底物生长的酵母相当。且超过 50% 的总叶酸含量为 5 - 甲基四氢叶酸（5-CH₃-H₄ Folat），这种叶酸在人体中具有高生物利用度和生物活性，无需进一步酶促转化3。
3. 酵母的营养优势：对比传统蛋白质来源，如肉类、鱼类和植物产品，研究人员发现酵母是优质的蛋白质供应源，且在叶酸含量上远超市场上大多数其他产品。每天仅食用 6g 生产的酵母，就能满足成年人的每日叶酸需求。这表明酵母不仅能提供蛋白质，还能提供维生素，有助于保障蛋白质供应和维持适当的维生素摄入4。

研究结论与讨论

这项研究成功利用 CO₂和 H₂，通过微生物生产出富含蛋白质和叶酸的生物质。这一成果在粮食生产领域意义非凡，微生物蛋白作为可持续、营养丰富的食物来源，有望缓解粮食短缺问题，减轻现有粮食生产系统的压力。同时，减少了 CO₂排放，助力应对气候变化。

从营养角度来看，该研究为解决全球微量营养素缺乏问题提供了新途径。通过这种创新的生产方式，人们可以获得更均衡的营养，特别是叶酸的高效供应，对孕妇等特殊人群的健康意义重大。而且，该技术为未来农业和食品生产开辟了新方向，摆脱了对传统农业的部分依赖，减少土地和水资源的消耗，具有广阔的应用前景。不过，目前该技术从实验室走向大规模生产可能还面临一些挑战，如生产成本的进一步降低、生产效率的提升等，但研究成果无疑为未来粮食供应和营养保障奠定了坚实基础。