微生物生理学论文 二氧化碳的固定

二氧化碳的固定

摘要：随着全球经济的不断发展，化石燃料的需求也变得越来越旺盛，随着引发的二氧化碳的大量排放，导致了温室效应的产生。本文主要介绍了微生物及酶固定二氧化碳的研究进展，以及对二氧化碳的综合利用。

关键词：温室效应；微生物固定；酶固定；综合利用

前言

C02在大气和水中广泛存在，其含碳量是石油、煤炭和天然气三大能源含碳量的10倍。而且自从人类社会进入工业化生产以来，地球大气中c02的浓度一直在以每年1．5 ppmv的速度不断地攀升。C02是大气中主要的温室气体，它直接导致了地球气温的上升及气候异常。因此CO2作为大气温室气体的主要来源，应当作为温室气体削减与控制的重点，CO2减排是可持续发展的必然要求。根据气候变化国际控制委员会( IPCC) 的估计，全球气候变暖可能引起冰川融化、全球平均海平面上升，干旱蔓延、作物生产率下降、动植物行为发生变异等自然灾害，热带雨林原田化、牧场化等。

一方面，如何降低二氧化碳排放量，变废为宝，实现其分离回收与综合利用是摆在广大环境科技工作者面前的重要课题。另一方面，二氧化碳作为地球上最丰富的碳资源，可转化为巨大的可再生资源。现阶段，二氧化碳的资源化研究已引起人们的密切关注，且其开发前景非常广阔。

一．温室效应的产生以及危害

温室效应(英文：Greenhouse gases)，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。自工业革命以来，人类向大气中排入的CO2等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等一系列极其严重问题，引起了全世界各国的关注。

温室效应主要带来了以下几种严重恶果：

1.地球上的病虫害增加美国科学家曾经发出警告，由于全球气温上升令北极冰层融化，被冰封十几万年的史前致命病毒可能会重见天日，导致全球陷入疫症恐慌，人类生命受到严重威胁。

2.海平面上升，如果地球表面温度的升高按现在的速度继续发展，到2050年全球温度将上升2~4摄氏度，南北极地冰山将大幅度融化，导致海平面大大上升，一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中。

3.气候反常，海洋风暴增多，气候反常，极端天气多是因为全球性温室效应，即二氧化碳这种温室气体浓度增加，使热量不能发散到外太空，使地球变成一个保温瓶，而且还是不断加温的保温瓶。全球温度升高，使得南北极冰川大量融化，海平面上升，导致海啸，台风，夏天非常热，冬天非常冷的气候反常，极端天气多。

4.土地干旱，沙漠化面积增大为减少大气中过多的二氧化碳，一方面需要人们减少含碳燃料的燃烧，另一方面保护好森林和海洋，尽量使用清洁能源等。

二．二氧化碳的控制与固定技术

温室气体的固存和转化成为目前各国实现CO2减排的研究热点。依据现行技术的特性分类，大致可分为：

2.1化学法

化学法分离处理二氧化碳主要包括化学吸收法及碳氢化合物转化法等。

（1）化学吸收法：化学吸收法是使原料气和化学溶剂在吸收塔内发生化学反应，二氧化碳进入溶剂形成富液，富液进入脱吸塔加热分解出二氧化碳，吸收与脱吸交替进行，从而实现二氧化碳的分离回收。其关键是控制好吸收塔和脱吸塔的操作温度和操作压力。

化学吸收法所用化学溶剂一般为K2CO3水溶液或乙醇胺类的水溶液。热K2CO3法包括苯非尔德法（吸收溶剂中K2CO3质量分数为25%~30%，二乙醇胺1%~6%，加适量V2O5作催化剂和防腐剂）、砷减法（VetroCokes法，K2CO3质量分数23%，As2O312%，或用氨基乙酸和V2O5代替As2O3）、卡苏尔法（CarsoI法，K2CO3、胺、V2O5）和改良热碳酸钾法（CataCarb法，K2CO3、乙醇胺盐、V2O5）。以乙醇胺类作吸收剂的方法有MEA法（一乙醇胺）、DEA法（二乙醇胺）及MDEA 法（甲基二乙醇胺）等。

（2）碳氢化合物转化法：碳氢化合物转化法是在催化剂作用下，将二氧化碳转化为甲烷、丙烷、一氧化碳、甲醇及乙醇等基本化工原料的方法。日本东北电力公司以铑-镁为催化剂，可使二氧化碳与氢按1:14（体积比）的比例，在一定的温度与压力下混合，生成甲烷。日本东芝公司采用一种工程上更为可行的原料配合，直接用燃放气与以氢为基底的乙炔混合，利用电子束或激光束激励，生产甲醇和一氧化碳，一氧化碳作为原料，可进一步合成甲醇。

碳氢化合物转化法还处于实验室研究阶段，距离工业大规模实用阶段尚远。二氧化碳作为一种潜在的巨大的资源，已引起世界众多国家有关科技人员的关注。

2.2物理CO2固定法：主要有海洋深层储存法和陆地蓄水层(或废油、气井)储存法等。地下和海洋深处固存具有巨大的潜力，可阻止或显著减少CO2向大气中的人为排放，对减少CO2人为排放、控制全球气候变化起到重要的作用。

2.3生物固定法：主要是利用生物CO2固定技术，尤其是微藻减排CO2技术，目前生物固定方法目前仅处于研究阶段。生物固碳的技术主要有：原始森林和再造林的调节；高等植物和藻类的光合作用；非光合微生物的固碳作用。主要是利用绿色植物、藻类或光合细菌以CO2为碳源，通过光合作用将CO2固定。以往大气中的CO2主要依靠森林绿色植物来吸收，达到减量目的。

三．微生物固碳

3.1固碳的微生物种类

固碳的微生物种类如下图所示固碳的微生物种类如下图所示

3.2不同微生物固碳的研究进展

3.2.1微藻固碳

微藻是光合固定CO2比较有前景的微生物之一，具有光合速率快、繁殖快、环境适应性强、固定效率高等特点。微藻固定CO2的研究现在比较多，研究主要集中在提高CO2耐受性上。一般微藻适宜生长的CO2浓度低于5%，5%以上的CO2对微藻有毒害作用。AConverti等利用螺旋藻进行沼液去除CO2，在停留时间6.2~50d，CO2比例降低至13.2%~19.5%。Sung等培养的小球藻菌株KR-1在CO2体积分数为10%时小球藻产率为1.1g/(L·d)，30%时为0.8g/(L·d)，50%时为0.6g/(L·d)，70%时为0.1g/(L·d)，说明这种菌株耐高浓度CO2的性能比较差。Hanagata等利用小球藻固定CO2，当体积分数为10%时，小球藻产率为0.15g/(L·d)，在体积分数为40%时，产率为0.18g/(L·d)，说明小球藻对高CO2具有一定的耐受性。微藻好氧的特性和CO2的耐受性限制了其在沼气净化方面的使用。如果能够控制氧气的进气量和提高微藻的CO2耐受性则利用微藻去除沼气中的CO2有很好的前景，并且同时还能积累有用的产品。对高CO2耐受性的藻类已有报道，同样在解决微藻好氧特性的上也有了一定的解决办法。水洗工艺是沼气纯化中去除CO2的常用手段。Pierre collet利用水洗工中处理沼气后产生的高含CO2的水进行微藻的培养。这个两阶段工艺相当程度上克服了微藻的好氧特性在沼气净化上的难题。