1. 氢氧化细菌（HOBs）可通过气体发酵将二氧化碳（CO₂）、氢气（H₂），甚至可能将氮气（N₂）转化为生物量，为实现粮食生产与农业脱钩提供了可能。

2. 已有研究表明，在多种微生物菌种和气体类型下，工业化规模的气体发酵均具有可行性。

3. 随着合成生物学工具的日趋成熟、环境问题的日益紧迫，以及消费者偏好随之发生的转变，用于新型食品精准发酵的工程微生物菌株开发正逐步推进。

4. 将工业化规模的气体发酵能力与最先进的精准发酵技术相结合，有望推动气体精准发酵工艺的发展。

5. 若学术界与工业界能重点开发氢氧化细菌相关工具，并提升气体发酵能力，将极大促进相关产品的研发与商业化进程。

摘要

地球九个安全边界出现六大突破凸显可持续粮食生产的必要性（九个安全边界分别是气候变化、生物多样性损失、生物地球化学流动（氮磷循环）、平流层臭氧消耗、海洋酸化、淡水利用、土地利用变化、大气气溶胶负载和化学污染。）。

好氧氢氧化细菌（HOBs）可通过气体发酵将大气中的二氧化碳（CO₂）与绿氢（H₂）转化为生物量，该工艺已应用于食品级单细胞蛋白的生产。这种方法能够构建独立于农业的供应链，所需土地和水资源极少，且具备实现碳中和生产与碳捕获的潜力。

若要突破单细胞蛋白的应用局限，需将氢氧化细菌改造为适用于精准发酵的细胞工厂。合成生物学、代谢工程、计算建模及生物反应器设计等领域的技术进展，已加速了可规模化生物工艺的开发，为气体发酵提供了技术蓝图。本文以分泌型重组乳蛋白为案例，阐述了该技术方向的发展路径，并着重指出了其中的关键挑战与机遇。

题目：工业化规模气体发酵的可行性：一种脱离农业的替代食品供应链

据预测，到2080年全球人口将超过103亿[1]，而九大地球安全边界（参见术语表）中已有六项被突破[2]。因此，在应对环境挑战的同时确保全球人口的充足粮食供应，已成为至关重要的议题。这一挑战的核心在于满足人类对蛋白质日益增长的消费需求——预计到2050年，全球蛋白质需求量将较当前产量增长40%[3]。

目前，全球消费的蛋白质几乎全部通过传统农业生产获得，包括种植作物以提供植物源蛋白质，以及种植饲料用于畜牧业（参见专栏1）。传统农业贡献了全球37%的温室气体排放，且因消耗大量耕地和淡水，给环境带来了沉重负担[4,5]。

专栏1：替代蛋白质的生产方案及其当前对耕地的依赖

由于蛋白质需求的增长以及地球生态健康面临的挑战，蛋白质来源已从以畜牧业为主的食物链向多元化方向发展，新增了三类主要的替代蛋白质：植物源替代蛋白、微生物源替代蛋白，以及培养肉与培养海鲜。理论上，每种替代蛋白质生产方案在完全优化后，与传统蛋白质生产相比，对地球生态健康的负担都更小。本专栏将气体精准发酵纳入其他替代蛋白质生产方案的框架中进行分析，并指出它们在农业需求（进而在耕地使用）方面的差异。

1. 植物源替代蛋白

通过直接加工大豆、坚果、豌豆、小麦等高蛋白植物原料生产而成。豆腐、丹贝等植物源蛋白产品已消费数百年，且在2023年，植物源产品在替代蛋白领域占据了最高的市场份额（超过88%）[23]。该生产过程依赖农业种植作物，因此植物源替代蛋白产品需要消耗耕地。

2. 培养肉

通过在发酵罐中培养动物细胞来生产肉类，无需饲养活体动物。动物细胞需要葡萄糖或其他高度还原的糖类作为原料，而这些原料目前主要来源于甘蔗、甜菜等作物。这些作物依赖农业种植，因此培养肉生产同样需要消耗耕地。尽管非医药级培养基底物的开发已取得进展，但动物细胞培养所用培养基的成本，仍是制约培养肉产业发展的主要瓶颈。

3. 发酵源微生物蛋白

通过在大型发酵罐中大规模培养丝状真菌、酵母、细菌、藻类等微生物，生产富含蛋白质的生物量（即单细胞蛋白，属于生物量发酵）；此外，也可通过改造微生物，使其定向生产目标蛋白质或其他功能性成分（即精准发酵）。在替代蛋白领域，微生物蛋白的市场份额仅次于植物源蛋白，占比超过8%[23]。

根据微生物细胞的营养利用能力，发酵工艺可使用第一代（1G）至第三代（3G）原料。例如，奎奴亚藜®（Quorn®）等真菌蛋白，是利用第一代（糖类）和第二代（农业废弃物）原料培养丝状真菌菌丝体获得的[78]；目前，通过改造酵母或细菌进行精准发酵生产的微生物源乳制品或蛋类替代品，同样依赖来源于农业种植的第一代（糖类）和第二代（农业废弃物）原料[4]。

与之不同的是，藻类蛋白（通过对螺旋藻属、小球藻属等高蛋白微藻进行生物量发酵生产[79]）可利用第三代原料（CO₂），以光能为能量来源进行生产——这得益于藻类的光合自养特性。因此，与气体精准发酵类似，藻类蛋白的生产无需依赖农业种植和耕地。

鉴于每种生产工艺的复杂性，以及食品系统的整体复杂性，不同替代蛋白生产方案应被视为互补而非竞争关系。良好食品研究所（Good Food Institute）提供了关于各类工艺及产品的最新信息iv。

已有多家企业和研究联盟率先将氢氧化细菌（HOBs）的工业化规模发酵技术应用于食品生产（参见表1）。为缓解这一迫在眉睫的危机，利用细菌、酵母或真菌进行微生物发酵，已成为一种更可持续的食品（尤其是蛋白质）生产方式（参见专栏1）[6]。奎奴亚藜®（Quorn®）便是微生物蛋白产品的典型代表，其原料为拟分枝孢镰刀菌（Fusarium venenatum），该产品已上市40年，充分证明了微生物蛋白替代品在经济上的可行性[6]。

数十年间，微生物发酵技术已在食品领域之外产出了众多实际产品（例如利用细菌和酵母生产胰岛素[7,8]、生产生物乙醇[9]），这些产品所属市场规模庞大，目前价值已达数百万欧元——这一事实进一步证实了“通过发酵生产食品”这一理念的可行性。此外，在学术界和工业界，通过天然微生物或代谢工程改造的微生物细胞工厂，还生产出了无数与食品和非食品相关的产品，如氨基酸、食品工业用酶、抗生素、维生素、香精、脂肪、抗体及材料前体等[10]。