文章导读 

氨是一种化学式为NH₃的化合物，由地球上两种最普遍的元素——氮和氢组成。由于其独特的性质，氨在工业和农业中有着广泛的应用。粮食生产高度依赖含氨肥料以提升作物产量和经济收益。然而，氨生产不仅消耗大量能源，还贡献了全球约2%的二氧化碳排放，同时其依赖天然气、煤炭和石油等化石燃料作为原料的问题也日益凸显。随着人们对氨生产可持续性及其能源使用对环境影响的关注不断升温，开发新型生物加工技术以生产生物氨成为研究热点。来自美国北达科他州立大学的Ademola Hammed博士及其团队在 BioTech 期刊发表了一项突破性研究，提出通过瘤胃高氨产生菌 (HAB) 途径释放生物氨生成潜力的新方法。这一研究为可持续农业发展提供了新的思路，具有重要的实践意义。

Haber-Bosch工艺流程图

 研究过程与方法 

生物方法被认为是环保的，因为它们是天然过程，不会产生任何有害副产物。生物氨生产有多种途径，包括固氮作用、硝化作用、硝酸盐/亚硝酸盐还原、尿素水解、微生物代谢工程以及蛋白质生物质的体外瘤胃微生物发酵，但报道最多的方法是生物固氮 (BNF) 和微生物代谢工程。通过瘤胃细菌发酵蛋白质生物质生产生物氨，是一种相对较新的方法，并显示出补充生物氨生产的潜力。本综述介绍了三种不同的生物方法，这些方法通过生化机制将氮气、生物资源或废物转化为生物氨。先进技术——酶固定化和微生物生物工程——的使用增强了生物氨的生产。

生物氨生产的概念生物工艺流程

1. 生物固氮 (BNF)

生物固氮 (BNF) 是一种将大气中的分子氮 (N₂) 转化为氨 (NH₃) 的自然过程。BNF是由固氮酶催化的ATP依赖的还原反应，负责提供约一半的生物可利用氮，这些氮支撑着所有生命形式。与需要高温高压条件来分解分子氮的哈伯-博世工艺相比，固氮微生物在常温常压下即可产生氨。固氮微生物具有很强的适应性，并已被探索用于商业化生产生物肥料。研究人员正积极尝试通过分离固氮细菌和固氮酶来模拟BNF的自然过程，以用于合成氨的生产。这一研究的主要挑战在于，固氮酶催化高度依赖能量，导致其反应速率比自然界中的大多数酶更慢。

2. 细胞和代谢工程

各种生物质，包括食物废弃物、微生物生物质和富含蛋白质的作物残渣，可以通过代谢途径明确的工程微生物进行发酵以生产生物氨。在一项关于利用微生物将蛋白质废弃物转化为生物燃料和氨的代谢工程研究中，枯草芽孢杆菌 (Bacillus subtilis) 中的codY基因 (一种转录调节因子) 被敲除。codY基因调控着参与多种过程的其他基因的活性，例如支链氨基酸的合成 (ilvABHCD和leuABCD)、从其他分子中去除氨基 (ybgE、ald、yhdC、appBC和dppBC)，以及抑制导致蛋白质分解和摄取的基因表达 (yhdG、appBC和dppBC)。在细菌中，蛋白质通过ilv-leu操纵子编码用于氨基酸的生物合成。codY基因的缺失消除了对该操纵子的调控限制，导致支链氨基酸 (BCAA) 的合成和摄取显著增加，这是由于ilv-leu操纵子的去抑制以及随后负责BCAA合成的基因上调所致。这种方法的局限性在于，很多种氨基酸中只有很少数可以被利用。这些实验室规模的研究可能难以过渡到工业规模，以实现环保的生物氨生产。

3. 高氨产生菌途径

反刍动物的消化腔室——瘤胃，是一个用于生产氨的生物精炼厂。瘤胃微生物能够分解饲料中含有碳水化合物和蛋白质的植物材料以获取能量。蛋白质降解的产物，包括肽和氨基酸，被代谢为蛋白质和/或氨。由此形成的微生物蛋白质是动物产品所必需的，但氨从瘤胃中被吸收、代谢并通过尿液排出。这种对膳食蛋白质的低效利用通过环境氮污染对环境造成了破坏性影响。动物科学领域的多项研究致力于寻找促进微生物蛋白质合成和调节氨生产的策略。这些研究揭示了一类特定细菌的存在，其氨的产生速率远高于瘤胃微生物用于其他功能 (包括微生物蛋白质合成) 的消耗速率。这类细菌被称为高氨产生菌 (HAB)，能够有效地将膳食蛋白质转化为多余的氨。这种天然氨是在人类和动物的消化系统中发生生化反应时产生的，该反应导致蛋白质中的含氮胺 (NH₂) 分解为氨或其离子形式 (铵)。这种氨被称为生物氨。

研究表明，高氨产生菌 (HABs) 能够将约50%的瘤胃膳食蛋白质转化为。HABs存在于牛的瘤胃或储存在粪坑中的猪粪中，它们可以被用作一种可持续的大规模氨生产来源，具有低能量需求和零排放的特点。并且有多种高氨产生菌 (HAB) 菌株具有不同的生物氨生产能力。根据HAB菌株和环境条件的不同，还可能产生更高浓度的生物氨。

研究意义与展望

在这篇综述中，作者介绍了多种实现可持续、零二氧化碳排放的生物氨生产的尝试，尽管已经提出了几种有前景的方法，但它们各自的局限性也得到了承认。除了这些可再生替代方案外，还提出了一种通过瘤胃高氨产生菌途径发酵膳食蛋白质生成生物氨的新策略。同时建议进一步探索和研究这种方法，将瘤胃微生物发酵适应于实验室规模的研究，最终目标是推动这种方法走向商业化。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2302396

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biotech

BioTech 期刊介绍

主编：Massimo Negrini, University of Ferrara, Italy

期刊涵盖生物技术各个领域的实验和理论结果，包括生物制药；开发转基因植物、动物或水生生物，以解决农业食品的生产或质量问题，以及医学上的新方法；在环境部门的应用，旨在维持生物多样性和清除污染物；开发生物体或酶以生产有用化学品或销毁危险/污染化学品；生物信息学方法。

2023 Impact Factor：2.7

2023 CiteScore：3.7

Time to First Decision：26.1 Days

Acceptance to Publication：2.6 Days

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