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、能源等传统制造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，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，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。
本研究创新性地发现，烟草可作为一种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，烟叶具有水溶性高、含氮量高和木质纤维素含量低的特点。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原核和真核生物的培养，也可直接用于生物基燃料和生物基化学品的生物合成。此外，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，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2.21×1012 L乙醇。生命周期评价结果也表明，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%。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，极大地提升了生物炼制的路线，减少了碳足迹，为真正实现生物能源利用的碳负排放奠定基础。
中国科学院青岛生物与能源过程研究所系统微生物工程研究组王帆博士为该论文第一作者，张海波研究员为通讯作者，中国农业科学院烟草研究所王倩研究员和韩国科学技术研究院Sang Yup Lee院士为该论文的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金以及山东省泰山学者等项目的支持。
原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00125-5
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