研究背景

甲烷作为一种强效温室气体及潜在资源，其氧化转化对气候治理与可持续发展而言至关重要。甲烷排放源主要包括人为排放 (如农业活动、化石燃料使用) 和自然排放 (如湿地、海洋)，这些排放共同导致全球大气甲烷浓度持续上升，其中，不同国家的排放贡献度也存在显著差异。本文系统综述了化学与生物甲烷氧化技术的现状，重点分析了甲烷生物氧化的高效经济以及在自我再生方面的独特优势，以及面临的瓶颈。

化学与生物甲烷氧化的优势与挑战

化学甲烷氧化是基于过渡金属氧化物等催化剂的策略，存在选择性低、催化剂易失活、能耗高等固有缺陷，限制了其工业应用的经济可行性。相比之下，生物法利用甲烷氧化菌及其关键的甲烷单加氧酶 (MMO)，在温和条件下进行催化，展现出高选择性、自我再生能力以及对含杂质甲烷气流的良好耐受性，因而更具发展潜力。

然而，生物甲烷氧化同样面临多重挑战，如图1所示，这些挑战包括甲烷在水相中溶解度极低导致的气液传质效率瓶颈；甲烷氧化菌生长缓慢，难以培养；其核心酶MMO的活性依赖于铜、铁等金属辅因子；以及因菌株代谢途径多样带来的最优菌种筛选困难等。

图1. 化学与生物甲烷氧化面临的挑战及潜在的生物学解决方案。

提升甲烷生物氧化效率的创新策略

为突破这些应用瓶颈，相关学者已提出多种解决方案。在反应器设计上，滴滤生物反应器和生物滴滤器通过优化填料、强制曝气及使用表面活性剂，显著提升了传质效率与甲烷去除率，其中采用多级曝气的生物滤器实现了85%的持续氧化效率。微生物燃料电池则探索了将甲烷直接转化为电能的新途径。在生物策略上，通过调控铜离子浓度可以操纵“铜开关”，促进活性更高的颗粒型甲烷单加氧酶 (pMMO) 的表达；构建甲烷氧化菌与异养菌、微藻的共生体系，能利用其协同效应提升氧化速率与系统稳定性 (如图2)。基因工程技术被用于改造MMO的关键氨基酸残基，以提升其催化活性与稳定性，尽管在异源宿主中的高效表达仍是难点。全细胞或酶固定化技术，例如将菌体封装于藻酸盐微球或水凝胶中，不仅提高了酶的重复使用性，还通过增加比表面积有效提升了甲醇产量，证明了该策略对增强甲烷氧化的有效性。

图2. M. trichosporium OB3b中甲烷氧化的复杂生物途径图，揭示了甲烷杆菌素基因作为调控因子在控制甲烷单加氧酶 (MMO) 表达中的关键作用。

甲烷生物氧化的工业化应用前景与展望

在生物滤器放大过程中，其面临营养限制、竞争性气体抑制及负荷波动等关键挑战，而相关中试研究已取得令人鼓舞的成果。例如，基于塑料生物球的甲烷氧化菌群培养体系，在低气流条件下实现了95%-97%的甲烷去除率；甲烷氧化菌与微藻的共生体系几乎能将所有甲烷碳同化为生物质，且微藻可实现原位供氧，为该技术的工业化应用提供了可行路径。

综上所述，通过集成优化的生物反应器设计、创新的微生物共培养体系以及先进的固定化与基因工程技术，生物甲烷氧化有望实现高效、大规模的工业应用。未来的研究应聚焦于优化工艺参数、降低运营成本并开展全面的经济性评估，以推动该项绿色技术真正走向产业化，为甲烷资源的可持续利用开辟道路。

原文出自 Methane 期刊：https://www.mdpi.com/2394802

Methane 期刊介绍

主编：Prof. Dr. Patrick Da Costa, Sorbonne Université, France

Methane (ISSN: 2674-0389) 期刊专注于甲烷及其相关领域的创新研究，涵盖甲烷的生产、储存、转化、利用及环境影响等多个方向，涉及能源科学、环境工程、化学催化、微生物学等交叉学科，旨在为全球学者提供高质量的学术交流平台。本期刊涵盖与甲烷相关的所有研究主题，重点关注但不限于以下领域：甲烷勘探与开采技术、甲烷的化学与物理特性、甲烷及其衍生物的应用、甲烷排放与控制、甲烷代谢过程、天然气水合物 (可燃冰)、氢能技术、氢燃料开发。

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