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。

3.2.2氢细菌固碳

氢细菌是化能自养细菌中生长最快、固定CO2最快的细菌，并且氢细菌可以耐受10%~20%的CO2浓度。Nishrhara筛选的中温氢细菌在固定CO2的同时还积累大量的胞外多糖和胞内糖原型多糖。Sangok利用一株新分离出的氢细菌strainYN-1固定CO2，在干细胞量为13.4g/L、CO2浓度为10%的情况下，固定量达到100mL/min，并且在40%的CO2浓度下依然生长较好。Kyung-Oh利用strainYn-1进行了CO2固定的条件优化，最佳条件下11.4g/L氢细菌吸收CO2为109mL/min。氢细菌是兼性自养菌，以敏捷氢单胞菌为例，在以果糖和核糖为碳源的条件下，RuBisCO和磷酸核糖激酶等固碳关键酶活性仍保持一定水平（相当于自养条件下的20%~70%）。因此，混合营养方式培养氢细菌固碳可以使得氢细菌保持较快的生长的同时能够保持较高的固碳水平，所以氢细菌在工业扩大应用上还是有很大优势的。但是氢细菌固碳的同时需要消耗大量的氢气，并且和微藻一样好氧的特性限制了其在沼气净化方面的应用。

3.2.3光合细菌固碳

光合细菌能够在厌氧条件下进行H2S与CO2的同步固定。刘之慧在厌氧发酵罐器壁上固载上光合细菌进行沼气的净化，使得沼气中甲烷含量在84.5%~90%以上。李金洋利用紫硫细菌和绿硫细菌1:1固定于载体上进行厌氧发酵同步产生沼气的净化，CO2总量降低了19.4%光合细菌固碳规模化的障碍主要是光能的损耗和CO2固定效率较低。实验室主要使用柱式反应器，器壁使用透光材料，光照用人工光源。因此选择比较理想的固碳光合细菌和开发有效的光反应器是目前工业化的难题。随着基因工程的发展，自然界的光合细菌在基因工程改良下，可以提高对CO2的固定能力。杜翠红以沼泽红假单胞杆菌为受体菌，卡尔文循环中的固定CO2的关键酶核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/氧化酶的基因为目的基因，构建了沼泽红假单胞菌/大肠杆菌穿梭载体，在沼泽红假单胞杆菌中表达，发现在厌氧自养条件下目的基因得到表达，CO2固定量增加了一倍。国外的光生物反应器的放大已经有先例，Torillo等以有机玻璃制作的蛇形管式反应器，管径13.1cm和7.4cm，管壁为4mm，管道平行放置于地面，贮罐为350L的放大光反应器，这种放大型的反应器的光照由太阳光提供，大大节约了光能的损耗。Mori报道了一种光导纤维生物反应器，光导纤维使得光线在反应器中分布均匀，光利用效率大大增加。但是光纤维生物反应器制作成本昂贵，难以工业化。随着光合生物的应用的增多，光反应器的放大是必然的趋势。

四．酶法固定CO2的研究进展

4.1固定CO2的酶的种类

目前研究还原CO2较多的是多酶体系,包括三种脱氢酶:甲酸脱氢酶(FDH)、甲醛脱氢酶(FADH)、甲醇脱氢酶(MDH),这三种酶分别可以将甲酸、甲醛、甲醇氧化成CO2。

4.2酶固定CO2的实例及研究进展

微生物法固定CO2实质上是微生物中的某些酶在生物体内一系列的催化反应。早在1984年就有人提出酶法还原CO2,即以酶为催化剂通过一连串酶促反应,将CO2转化为有用物质。

多酶系统固定CO2是向该系统中供给逆反应进行方向的物质,使得CO2被还原。

Parkinson等于1984年提出了酶固定CO2的途径,以甲酸脱氢酶作催化剂将CO2还原为甲酸。Susumu等以甲酸脱氢酶为催化剂,以甲基紫精或PQQ作为电子传递体,以饱和CO2磷酸缓冲溶液(pH=7)为电解液,在-0.7~-0.9V(相比于SCE饱和甘汞电极)电极电势下将溶解的CO2转化成甲酸盐,转化率高达90%,甲酸脱氢酶在暗处的酶活力较为持久。在以电极电势为-0.7~-0.9V(相比于SCE饱和甘汞电极)的条件下,酶浓度低时生成甲醛; 甲醇脱氢酶为催化剂、以甲基紫精为电子传递体、以甲酸钠饱和磷酸盐溶液为电解液、酶浓度高时,甲醛积累到一定程度生成甲醇;当PQQ代替甲基紫精作为电子中间体时只产生甲醇。在以上结果的基础上,以甲酸脱氢酶和甲醇脱氢酶共同作为催化剂,以PQQ作为电子中间体可将CO2还原成为甲醇。

生物体内的酶催化化学反应是连续的,前一种酶的作用产物往往是后一种酶的作用底物。Obert等采用多酶体系将CO2还原成甲醇CO2先在甲酸脱氢酶作用下还原为甲酸盐,然后在甲醛脱氢酶作用下还原为甲醛,最后在甲醇。脱氢酶作用下还原为甲醇,每一步脱氢酶反应的最终电子供体都为还原性NADH。天然酶稳定性差、易失活、不能重复使用,为了保证多酶体系作用连续有效,用溶胶-凝胶多孔纳米材料将多酶体系包埋起来。结果表明,同多酶体系直接在溶液中还原CO2相比,包埋于多孔溶胶-凝胶中的多酶体系还原CO2为甲醇的产率明显提高。姜忠义等采用改进的溶胶-凝胶法固定多酶体系,以NADH为电子供体,在低温低压条件下将CO2还原成甲醇,通过改变反应物配比、催化剂用量及其它反应条件,摸索出较适宜的凝胶化条件为:37℃、pH=7.0,在此条件下甲醇产率达92.4%。过程如下:

CO2FDH + NADHHCOOHFADH + NADHHCHOMDH + NADHCH3OH

上述反应体系需加入昂贵的NADH电子供体,且不能连续反应。崔俊儒等发现含多酶体系的甲烷氧化细菌在温和条件下经过一系列反应能够将CO2还原成甲醇,CO2还原而成的甲醇在细胞外得以积累。在反应体系中加入甲烷作为底物时,产生的还原能量推动反应连续稳定进行。为优化反应条件,Sun等将三种脱氢酶通过温和的仿生矿化过程包埋于二氧化钛粒子体系中,用于还原CO2成甲醇。包埋后的多酶体系在NADH作为电子供体的条件下依次将CO2还原为甲酸、甲醛、甲醇。和开放型反应系统相比,包埋后的多酶体系将CO2还原为甲醇的产率有了很大的提高。Reda等以甲基紫精为电子中间体,在严格厌氧环境中将甲酸脱氢酶

吸附到电极表面用于电化学还原CO2生成甲酸盐。甲酸脱氢酶电催化在热力学上是可逆的,且只需要很低的过电压,此反应发生在温和条件下,甲酸盐是唯一产物。上述研究都是使用多酶体系来模拟生物体的光合作用而还原CO2,反应无需光照,且不添加光催化剂或光敏剂。在酶固定转化CO2的研究中,还有使用光敏剂对CO2进行光催化还原的报道。如Willner等在上述体系中添加了光敏剂钌,利用酶ICDH和电子传输介质MV2+成功进行了CO2的光化学固定及还原。

五．二氧化碳的综合利用

当今，随着地球能源日趋紧张，科学技术迅猛发展，二氧化碳已在工业、农业、生物合成、能源及环境等方面展现出广泛用途，同时，人们也愈来愈认识到二氧化碳的重要性，许多国家都在研究可作为潜在资源的二氧化碳的综合利用问题。

利用接近临界状态或超临界状态二氧化碳对大量有机物有很高的溶解能力这一特性，进行超临界萃取（SCF）及超临界反应（SCR）等是现阶段研究的热门课题。目前，如利用SCF-二氧化碳脱除咖啡中的有害成分咖啡因，已成功地实现了工业化。另外，还可用于处理成分复杂的有机废水。

二氧化碳在常温常压下是无色无臭气体，安全无毒、使用方便，在常温下加压就可以液化或固化。随着人民生活水平的提高，二氧化碳在食品的冷冻、保鲜、水果和蔬菜的空调储运中的运用越来越多。另外，二氧化碳在碳酸饮料制作中具有极其广泛的应用。

大量实验表明，通过补充玻璃温室与塑料大棚中二氧化碳的含量，可以增强作物的光合作用，提高产量。

利用二氧化碳生产单细胞蛋白是其在生物技术方面应用的典型例证。较有潜力的微生物主要有菌体生长快的微型藻类及氢氧化菌，如Alcaligenseutrophus 以CO2、O2、H2及NH+4等底物合成的菌体蛋白含量可高达74.2%~78.7%（质量分数），Phycrogenther-mophila的蛋白含量为75%（质量分数），而且这些氢细菌的氨基酸组成优于大豆，接近动物性蛋白，具有良好的可消化性。

据报道，日本京都大学成功开发了以二氧化碳合成汽油的工艺，二氧化碳转变为汽油的单程收率为26%，制取1L汽油的费用为100日元。美国燃料资源开发公司建成了一套合成燃料装置，由甲烷和二氧化碳制取清洁柴油、石脑油和石蜡。二氧化碳与甲烷反应生成的一氧化碳和氢气恰恰是合成油的比例，这一新思路目前已进入可行性研究阶段。

综上所说，随着科技迅速发展以及新兴学科的兴起，人类解决大气“温室效应”的手段必定会愈来愈丰富，同时有关二氧化碳方面的应用必将越来越广泛。

六．前景展望

虽然微生物法脱除CO2目前仍没有进行工业化应用，但是某些固碳微生物的固碳能力还是很可观的，比如微藻和氢细菌。如果能解决某些固碳微生物好氧特性给净化CO2带来的问题并且找到合适而低廉的电子供体，则这两种高效固碳微生物用于沼气中CO2的净化是具有很好发展前景的。光合细菌固碳工艺中如果能够解决光照耗损大和提升光合细菌的固碳效率的问题，那么光合细菌在净化CO2上有很大的发展潜力。

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