微生物及酶固定二氧化碳的研究進(jìn)展

溫室效應(yīng)是指人類向大氣中排放CO2等氣體阻礙了地球的熱量擴(kuò)散到外層空間，從而使氣溫升高的現(xiàn)象。溫室效應(yīng)會導(dǎo)致高緯度地區(qū)降雨量增加、高山積雪融化、兩極冰山融化、海平面上升，已成為影響地球生態(tài)環(huán)境的重要原因。溫室效應(yīng)氣體有CO2、氯氟代烷、CH4等30多種，其中CO2影響最大。據(jù)聯(lián)合國氣候變化專門委員會(IPCC)分析[1]，全世界約10%～15%的廢氣來自于煤燃燒排放的CO2，每年約200億 t，溫室效應(yīng)將導(dǎo)致地球的平均溫度上升1.5～4.5℃。除減少排放外，還原和固定CO2也將有助于減輕溫室效應(yīng)。CO2的固定和利用方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法。物理法和化學(xué)法雖然可以制得新的有用化合物，但會產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，而且消耗能量，對環(huán)境造成二次污染。生物法固定CO2是通過植物或微生物的循環(huán)途徑將CO2轉(zhuǎn)化成化學(xué)物質(zhì)或其自身生長的營養(yǎng)物質(zhì)。固定CO2的生物主要是植物和自養(yǎng)微生物。綠色植物的葉綠體中有一個特有的酶促機(jī)構(gòu)，催化CO2轉(zhuǎn)變成還原性的有機(jī)化合物，這個過程為CO2的固定過程。但是地球上還有植物不能生長的特殊環(huán)境，自養(yǎng)微生物固定CO2的優(yōu)勢便顯現(xiàn)出來。從整個生物圈的物質(zhì)、能量流來看，自養(yǎng)微生物可以利用可見光作為主要能源驅(qū)動CO2的固定。使用特定的酶可更加直接快速地實(shí)現(xiàn)CO2的固定。作者在此介紹了近年來微生物和酶固定CO2的研究進(jìn)展。

1 微生物固定CO2的研究進(jìn)展

1.1 固定CO2的微生物種類

自養(yǎng)微生物利用光能或無機(jī)物氧化時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)能同化CO2，構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)。固定CO2的自養(yǎng)微生物較多[2]，一般有兩類：光能自養(yǎng)型和化能自養(yǎng)型微生物，如表1所示。

表1 固定CO2的微生物種類

Tab.1Microbialtypesofcarbondioxideimmobilization

能源好氧/厭氧微生物光能好氧厭氧微藻類藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)菌化能好氧厭氧氫細(xì)菌硝化細(xì)菌硫化細(xì)菌鐵細(xì)菌甲烷菌醋酸菌

光能自養(yǎng)型微生物包括微藻類、藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌，含有葉綠素，以光為能源、CO2為碳源合成菌體物質(zhì)或代謝產(chǎn)物；化能自養(yǎng)型微生物以CO2為碳源，能源主要有H2、H2S、NH4+、NO2-、Fe2+等。微藻(包括藍(lán)細(xì)菌)和氫細(xì)菌具有生長速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。國內(nèi)外現(xiàn)已大規(guī)模生產(chǎn)的微藻主要有：柵列藻(Scenedesmus)、小球藻(Chlorella)、鹽藻(Dunaliella)和螺旋藻(Spirulina)等。Ishizaki等[3]利用產(chǎn)堿桿菌以CO2為碳源在限氧條件閉路循環(huán)發(fā)酵系統(tǒng)中培養(yǎng)60 h，其菌體濃度高于60 g·L-1、PHB達(dá)36 g·L-1。化能自養(yǎng)菌中固定CO2生長速度最快的是氫細(xì)菌，已發(fā)現(xiàn)的氫細(xì)菌有18個屬，近40個種。Nishihara[4]篩選的中溫氫細(xì)菌在固定CO2時(shí)還分別積累大量的胞外多糖和胞內(nèi)糖原型多糖。

1.2 微生物固定CO2

微藻類具有光合速率快、繁殖快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、固定效率高等優(yōu)點(diǎn)，常與其它工程技術(shù)結(jié)合用于固定CO2。de Morais等[1]將螺旋藻中的Spirulinasp.和斜生柵藻S.obliquus培養(yǎng)在恒溫30℃的三級連續(xù)管狀光生物反應(yīng)器中，觀察CO2的固定狀況和這兩種微生物對CO2的耐受力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，螺旋藻Spirulinasp.的最大比生長速率和最高產(chǎn)率分別為0.44 d-1和0.22 g·L-1·d-1；最高CO2固定率在CO2體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)是53.29%，在CO2體積分?jǐn)?shù)為12%時(shí)為45.61%。斜生柵藻S.obliquus的最高CO2固定率在CO2體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)為28.08%，在CO2體積分?jǐn)?shù)為12%時(shí)為13.56%。

Hanagata等[5]培養(yǎng)的Chlorella在CO2體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，產(chǎn)率為0.15 g·L-1·d-1，在CO2體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，產(chǎn)率為0.18 g·L-1·d-1。Sung等[6]培養(yǎng)的Chlorella菌株KR-1在不同體積分?jǐn)?shù)CO2下有不同的產(chǎn)率，CO2體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)產(chǎn)率為1.1 g·L-1·d-1；CO2體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)產(chǎn)率為0.8 g·L-1·d-1；CO2體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)產(chǎn)率為0.6 g·L-1·d-1，CO2體積分?jǐn)?shù)為70%時(shí)產(chǎn)率為0.1 g·L-1·d-1。有的菌株在CO2環(huán)境中可以加速生長，Chang等[7]培養(yǎng)的Chlorella菌株NTU-H15和NTU-H25在通入5%CO2時(shí)細(xì)胞生長速度加快，最高產(chǎn)率達(dá)到0.31 g·L-1·d-1。

隨著基因工程的發(fā)展，固定CO2細(xì)菌和基因工程有了契合點(diǎn)。杜翠紅[8]以沼澤紅假單胞菌為受體菌株，以卡爾文循環(huán)中的關(guān)鍵酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/氧化酶(RubisCO)的基因?yàn)槟康幕?，借助沼澤紅假單胞菌/大腸桿菌穿梭載體，將目的基因轉(zhuǎn)入受體菌株中，構(gòu)建了一株固定CO2的基因工程菌。

研究人員在研究CO2還原產(chǎn)物的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)CO2被固定后的某些產(chǎn)物還可以作為中間物質(zhì)維持還原反應(yīng)的循環(huán)進(jìn)行。Ishizaki等[9]和Tanaka[10]利用AlcaligeneseutrophusATCC 17697T固定CO2生產(chǎn)聚-3-羥基丁酸酯。辛嘉英[11]利用甲基彎菌IMV3011催化CO2生物轉(zhuǎn)化生成甲醇，在細(xì)胞懸浮液中充入CO2反應(yīng)一段時(shí)間后，在反應(yīng)液中檢測到甲醇。還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)貯存的聚-β-羥基丁酸分解后能夠產(chǎn)生還原當(dāng)量，通過改變培養(yǎng)基中氮和銅的起始濃度對PHB積累量進(jìn)行調(diào)節(jié)，可提高甲基彎菌IMV3011還原CO2生成甲醇的能力。

有研究人員進(jìn)行了自養(yǎng)固定CO2細(xì)菌的研究。Berg等[12]發(fā)現(xiàn)古細(xì)菌屬硫化葉菌目的自養(yǎng)型細(xì)菌Metallosphaerasedula可以利用乙酰輔酶A或丙酰輔酶A羧化酶固定CO2。Ramos-Vera等[13]報(bào)道了兩種新的自養(yǎng)型細(xì)菌固定CO2的循環(huán)。硫化葉菌目利用3-羥基丙酸鹽/4-羥基丁酸鹽循環(huán)，以乙酰輔酶A/輔酶A羧化酶作為催化酶。Ignicoccus hospitalis(除硫球菌目)利用二甲酸亞乙基酯/4-羥基丁酸鹽循環(huán)，以丙酮酸合酶和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶作為催化酶固定CO2。在這兩個循環(huán)中，乙酰輔酶A和兩個無機(jī)碳通過不同的途徑被轉(zhuǎn)化成琥珀酰-輔酶A，而從琥珀酰-輔酶A到乙酰輔酶A的再生途徑是相同的，該循環(huán)是嚴(yán)格厭氧環(huán)境。

近年來，電化學(xué)的研究引起了人們的關(guān)注。Cao等[14]在MFC中利用生物陰極，用溶解的CO2作為電子受體，利用外加電源提供0.242 V的電勢(相對于SHE)。經(jīng)過一個月的調(diào)整最終得到1 mA的穩(wěn)定電流，每1 mol e-還原(0.28 ±0.02) mol重碳酸鹽，這是首次利用陰極和微生物間直接電子轉(zhuǎn)移固定CO2。

2 酶法固定CO2的研究進(jìn)展

微生物法固定CO2實(shí)質(zhì)上是微生物中的某些酶在生物體內(nèi)一系列的催化反應(yīng)。早在1984年就有人提出酶法還原CO2，即以酶為催化劑通過一連串酶促反應(yīng)，將CO2轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)。目前研究還原CO2較多的是多酶體系，包括三種脫氫酶：甲酸脫氫酶(FDH)、甲醛脫氫酶(FADH)、甲醇脫氫酶(MDH)，這三種酶分別可以將甲酸、甲醛、甲醇氧化成CO2。多酶系統(tǒng)固定CO2是向該系統(tǒng)中供給逆反應(yīng)進(jìn)行方向的物質(zhì)，使得CO2被還原。

Parkinson等[15]于1984年提出了酶固定CO2的途徑，以甲酸脫氫酶作催化劑將CO2還原為甲酸。Susumu等[16]以甲酸脫氫酶為催化劑，以甲基紫精或PQQ作為電子傳遞體，以飽和CO2磷酸緩沖溶液(pH=7)為電解液，在-0.7～-0.9 V(相比于SCE飽和甘汞電極)電極電勢下將溶解的CO2轉(zhuǎn)化成甲酸鹽，轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%，甲酸脫氫酶在暗處的酶活力較為持久。在以甲醇脫氫酶為催化劑、以甲基紫精為電子傳遞體、以甲酸鈉飽和磷酸鹽溶液為電解液、電極電勢為-0.7～-0.9 V(相比于SCE飽和甘汞電極)的條件下，酶濃度低時(shí)生成甲醛；酶濃度高時(shí)，甲醛積累到一定程度生成甲醇；當(dāng)PQQ代替甲基紫精作為電子中間體時(shí)只產(chǎn)生甲醇。在以上結(jié)果的基礎(chǔ)上，以甲酸脫氫酶和甲醇脫氫酶共同作為催化劑，以PQQ作為電子中間體可將CO2還原成為甲醇。

生物體內(nèi)的酶催化化學(xué)反應(yīng)是連續(xù)的，前一種酶的作用產(chǎn)物往往是后一種酶的作用底物。Obert等[17]采用多酶體系將CO2還原成甲醇。CO2先在甲酸脫氫酶作用下還原為甲酸鹽，然后在甲醛脫氫酶作用下還原為甲醛，最后在甲醇脫氫酶作用下還原為甲醇，每一步脫氫酶反應(yīng)的最終電子供體都為還原性NADH。

天然酶穩(wěn)定性差、易失活、不能重復(fù)使用，為了保證多酶體系作用連續(xù)有效，用溶膠-凝膠多孔納米材料將多酶體系包埋起來。結(jié)果表明，同多酶體系直接在溶液中還原CO2相比，包埋于多孔溶膠-凝膠中的多酶體系還原CO2為甲醇的產(chǎn)率明顯提高。

姜忠義等[18]采用改進(jìn)的溶膠-凝膠法固定多酶體系，以NADH為電子供體，在低溫低壓條件下將CO2還原成甲醇，通過改變反應(yīng)物配比、催化劑用量及其它反應(yīng)條件，摸索出較適宜的凝膠化條件為：37℃、pH=7.0，在此條件下甲醇產(chǎn)率達(dá)92.4%。過程如下：

上述反應(yīng)體系需加入昂貴的NADH電子供體，且不能連續(xù)反應(yīng)。

崔俊儒等[19]發(fā)現(xiàn)含多酶體系的甲烷氧化細(xì)菌在溫和條件下經(jīng)過一系列反應(yīng)能夠?qū)O2還原成甲醇，CO2還原而成的甲醇在細(xì)胞外得以積累。在反應(yīng)體系中加入甲烷作為底物時(shí)，產(chǎn)生的還原能量推動反應(yīng)連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。

為優(yōu)化反應(yīng)條件，Sun等[20]將三種脫氫酶通過溫和的仿生礦化過程包埋于二氧化鈦粒子體系中，用于還原CO2成甲醇。包埋后的多酶體系在NADH作為電子供體的條件下依次將CO2還原為甲酸、甲醛、甲醇。和開放型反應(yīng)系統(tǒng)相比，包埋后的多酶體系將CO2還原為甲醇的產(chǎn)率有了很大的提高。

Reda等[21]以甲基紫精為電子中間體，在嚴(yán)格厭氧環(huán)境中將甲酸脫氫酶吸附到電極表面用于電化學(xué)還原CO2生成甲酸鹽。甲酸脫氫酶電催化在熱力學(xué)上是可逆的，且只需要很低的過電壓，此反應(yīng)發(fā)生在溫和條件下，甲酸鹽是唯一產(chǎn)物。

上述研究都是使用多酶體系來模擬生物體的光合作用而還原CO2，反應(yīng)無需光照，且不添加光催化劑或光敏劑。在酶固定轉(zhuǎn)化CO2的研究中，還有使用光敏劑對CO2進(jìn)行光催化還原的報(bào)道。如Willner等[22]在上述體系中添加了光敏劑釕，利用酶ICDH和電子傳輸介質(zhì)MV2+成功進(jìn)行了CO2的光化學(xué)固定及還原。

3 展望

微生物及酶固定CO2的研究取得了一些進(jìn)展，目前有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的是微藻類和氫細(xì)菌。微藻類在自身繁殖菌體時(shí)，可將CO2轉(zhuǎn)化為生物柴油等液體燃料或者利用CO2生產(chǎn)有用物質(zhì)，如：類脂和蛋白質(zhì)等；氫細(xì)菌在固定CO2的同時(shí)還能積累大量胞內(nèi)糖原。通過相應(yīng)的酶作用可以將CO2還原為蘋果酸和異檸檬酸、甲烷、甲醇、乙醇等。微生物固定CO2仍有一些瓶頸問題，如細(xì)胞生長速度慢、密度低，可用的菌種資源有限，催化氧化過程需要還原性輔酶參與。酶法固定CO2存在酶種類少、途徑單一、轉(zhuǎn)化效率低等缺點(diǎn)。微生物和酶固定CO2的機(jī)理也較復(fù)雜，還需要不斷的探索。

微生物和酶固定CO2今后的研究方向主要是：(1) 開發(fā)光生物反應(yīng)器以滿足微藻類生長所需的光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)CO2在溫和條件下轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳；(2) 通過基因工程構(gòu)建固定CO2的高效菌株；(3) 進(jìn)一步研究微生物和酶固定CO2的機(jī)理，為CO2固定研究提供理論支持；(4)開發(fā)新的高效分離技術(shù)以分離還原產(chǎn)物；(5)同其它還原CO2的方式(如光催化和電化學(xué)還原等)結(jié)合，用于合成各種化學(xué)品及高分子材料。

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