当前化学工业对化石资源的高度依赖导致二氧化碳（CO2）排放激增和资源枯竭，传统线性经济模式亟需转型。以一碳原料回收利用为核心的第三代生物制造，已逐步成为实现可持续化学生产的关键路径。然而，一碳底物生物制造的工业化面临技术经济瓶颈与环境风险挑战。
基于此，西安交大费强团队建立了生物制造的“技术-经济-碳足迹”全链条评价体系（TECA），其中包括通过技术经济可行性分析（TEA）量化工艺参数与经济指标的关系，精准识别工业化进程中的成本趋势与经济瓶颈；借助全生命周期评价（LCA）追踪产品从原料到废弃处理全链条的污染物排放，实现环境效益评价与风险预警。目前已构建了涵盖多种原料制备生物基产品的实践案例，如甲烷合成活性产物、CO2制备依克多因、沼气生产生物航煤等，相关成果已在Angewandte Chemie、Nature Communications、Chemical Engineering Journal、Green Chemistry等国际著名期刊发表。尽管已有研究基于TECA体系开展了单一产品的辅助性评价，但尚未构建一碳生物制造全流程的系统评估框架与前瞻规划。
针对这一空白，费强团队近期借助TECA平台技术，结合生物转化一碳原料合成化学品的最新研究成果与实验数据展开模拟计算及综合分析，提出了一碳生物制造从实验室迈向工业规模的展望。该研究构建贯穿实验室研发到工业化生产的全链条评价体系，对一碳生物制造技术路径的经济性与环境影响进行全面收敛性评估。通过精细化拆解成本、动态推演效益、溯源追踪碳足迹，全方位剖析产品的经济效益和可持续性，旨在推动化学品生产去化石化，促进循环碳经济和可持续发展，为生物制造产业顶层设计提供依据，有力推动一碳生物制造商业化与产业化，助力循环碳经济发展和碳中和目标实现。该研究通过案例研究剖析一碳生物制造商业化的关键经济和技术障碍，提出提升成本竞争力的可行路线图，强调其作为传统化学生产的可扩展和可持续替代方案，以及在助力碳中和方面的潜力（图1）。
图1 从基于化石基原料的生产路线到循环一碳生物制造的转变
该研究首先提出通过构建具有工业属性的“微生物细胞工厂”、深化电-生物催化级联系统开发等方式加速技术进步，提升碳转化率。其次，倡导产业界与学术界协同合作，整合工业尾气、农业沼气及城市有机废弃物中的一碳资源，以解决供应链安全问题。此外，依托碳税征收与碳排放权交易机制，通过获取碳信用降低生产成本以提升经济竞争力。最后，可借助TEA识别关键成本驱动因素，为规模化投资决策提供量化依据以降低投资风险。该研究进一步通过LCA研究，证实一碳生物制造相较传统工艺具有显著碳减排优势。以丙烯酸生产为例，每生产1吨产品可减少约3.09吨温室气体排放，为化学工业低碳转型提供了重要理论支撑。该成果不仅为一碳生物制造技术规模化应用指明方向，更成为推动化学工业脱碳、构建循环经济的关键技术支撑，有望重塑传统化工产业发展格局（图2）。
图2 提高一碳生物制造经济可行性和可持续性的路径
上述分析和结果以《推动一碳生物制造的经济性与可持续性变革》（Economic and sustainable revolution to facilitate one-carbon biomanufacturing）为题，发表于国际权威期刊《自然通讯》（Nature Communications）。西安交通大学为第一通讯单位，化工学院博士生张晨悦与费强教授为共同第一作者，北京化工大学谭天伟院士和费强教授为共同通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划和陕西高校青年创新团队等项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60247-w
费强教授研究团队主页链接：https://gr.xjtu.edu.cn/web/feiqiang
