综述：通过生物技术工艺将甲烷转化为甲醇：挑战与前景

《Biotechnology Advances》：Methane conversion into methanol by biotechnological processes: Challenges and perspectives

生物转化甲烷为甲醇的研究进展，探讨甲烷氧化菌（AOB/ANME）及MMO酶在温和条件下生产甲醇的潜力，分析细胞固定化、电催化及基因工程优化策略，总结工业转化瓶颈与生物技术解决方案。

　　

Hélo?se Baldo | Stéphane Sauvagère | Christian Siatka | Laurence Soussan

欧洲膜研究所（IEM – UMR 5635），蒙彼利埃大学（Université de Montpellier），法国国家科学研究中心（CNRS），蒙彼利埃，法国

摘要

甲烷是最主要的温室气体之一，对全球变暖有显著贡献。它同时也是宝贵的能源和化学产品生产的原料。将甲烷转化为甲醇的气液转化技术尤其值得关注，因为甲醇被视为化学工业的基石分子以及低排放运输的潜在燃料。目前，甲烷氧化为甲醇的过程仍主要在能耗较高的工业条件下进行，这会导致大量的二氧化碳排放。然而，甲烷氧化菌（methanotrophs）作为一种更环保的替代方案逐渐受到重视——这类微生物（包括细菌和古菌）能够在温和的条件下吸收甲烷。甲烷氧化菌能够表达甲烷单加氧酶（Methane MonoOxygenase, MMO），从而选择性地将甲烷氧化。不过，其大规模应用仍受到生物学和工艺方面的限制。本文综述了近年来基于甲烷氧化菌的甲醇生产生物工艺的最新进展，涵盖了全细胞甲烷氧化菌、无细胞（酶促）工艺以及MMO异源表达技术。

引言

本文综述了当前将甲烷生物转化成甲醇的技术进展，特别关注基于甲烷氧化菌的工艺。由于甲醇具有较高的能量密度和辛烷值，它在燃料工业中成为甲烷利用的理想替代品。此外，甲醇在塑料和涂料等众多化学工业中也是重要的基础分子。由于甲醇在常温下为液态，因此比甲烷更便于使用。目前工业上主要通过高温高压下的化学过程（如甲烷重整后经过费托合成工艺）来生产甲醇。近年来，出现了更加环保的甲醇生产方法，其中生物技术方法备受关注。 尽管多种微生物都能进行甲烷的酶促氧化，但好氧甲烷氧化菌因具备在生理条件下高效氧化烷烃的能力而成为研究焦点。它们的甲烷单加氧酶具有极高的选择性。然而，甲烷在它们的代谢过程中仅作为中间产物，细菌通常会将其作为生物质生产的碳源。因此，在反应介质中积累甲醇需要特定的操作条件，例如添加酶抑制剂和外部电子供体。尽管自20世纪90年代以来在生物工艺优化方面进行了大量研究，但甲烷氧化菌在运行约十小时后仍会停止产甲醇（无论细菌种类、反应器设计或操作模式如何）。此外，全细胞甲烷氧化菌的种子培养过程较为繁琐，且易受污染。已有文献和专利报道了多种去除全细胞甲烷氧化菌的方法，包括分离MMO并将其嫁接到大肠杆菌（Escherichia coli）或毕赤酵母（Pichia pastoris）等微生物上，或通过分子生物学技术改造这些微生物以实现代谢工程。 大多数最新的优化策略集中在从特定环境中分离新型甲烷氧化菌株。此外，还提出了细菌固定化或电生物催化等方法来维持细菌活性。本文将进一步讨论这些优化策略的性能和挑战。 表A1总结了文献中关于甲烷生物转化成甲醇的主要研究成果，包括具体的甲醇产率和有效生产时间，并按产率降序排列了相关数据。研究内容涵盖了野生型和突变菌株以及酶促工艺。为简化表述，每项研究仅提及最佳的甲醇产率结果。

甲烷——一种关键的温室气体

甲烷（CH?）是一种寿命较短（12.4年）但效力很强的温室气体，其在20年内的全球变暖潜力是二氧化碳（CO?）的84倍，在100年内的全球变暖潜力是二氧化碳的28倍（Pachauri等人，2015年）。甲烷排放来源于自然（地质和水源，包括湿地、淡水和海洋）和人为来源（化石燃料的开采和燃烧、农业活动等）。

好氧与厌氧甲烷氧化菌简介

甲烷氧化菌是天然存在的细菌和古菌，能够以甲烷为能源进行代谢（Bodelier等人，2019年；Dedysh和Knief，2018年）。根据电子受体的不同，甲烷氧化作用可分为好氧或厌氧类型（Guerrero-Cruz等人，2021年）。最早的关于甲烷氧化微生物的记载可追溯到1905年的Kaserer和1906年的S?hngen，他们将新分离出的细菌命名为“Bacillus methanicus”（S?hngen，1906年）。

当前的无细胞（纯酶促）工艺 好氧甲烷氧化菌和甲烷氧化菌的生长缓慢，这限制了它们在集约化和大规模工业应用中的发展。酶促工艺可以规避与全细胞相关的诸多问题：生理限制（Baldo等人，2024年）、膜降解（Pen等人，2016年）、复杂的代谢途径导致部分甲醇被消耗、以及甲烷在到达MMO或AMO之前需要通过外部膜进行扩散等。

使用纯好氧甲烷氧化菌的传统甲醇生产方法 大多数好氧甲烷氧化菌通过一系列酶促反应将甲烷转化为甲醇，其中甲烷单加氧酶（MMO）催化第一步反应，即在氧气存在下将甲烷氧化为甲醇。该酶还需要辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）提供的质子和电子。反应产物为甲醇和水（Kamachi和Okura，2018年）。

生物学相关瓶颈 目前，气体发酵工艺的工业发展仍面临多个关键瓶颈，这些瓶颈既与全细胞生物催化剂的生物学特性有关，也源于气体底物的特殊性。本文总结了甲烷氧化菌细胞生物学和MMO催化过程中遇到的挑战。

结论 甲烷是一种高效的温室气体，可通过气液转化技术实现其价值化利用。尽管所需的高温高压条件阻碍了相关技术的发展，但人们对更温和、更环保的转化方法进行了大量研究。好氧甲烷氧化菌能够以甲烷为碳源和能源，在常压和适中温度下高效催化其氧化反应。

资助信息 本研究得到了法国国家研究机构（ANR-21-CE44-0021）的支持。

未引用参考文献 Kulyashov等人，2025年

利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。