二氧化碳和氫氣轉(zhuǎn)化為液體燃料的研究進(jìn)展

冀 雪

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266042)

利用光合作用有機(jī)體生產(chǎn)生物燃料存在一些限制因素，阻礙了可再生液體燃料工業(yè)的發(fā)展。有些有機(jī)體能直接利用CO2和電解水制得的H2生產(chǎn)高能量液體燃料——“電燃料”［1］。發(fā)展電燃料生產(chǎn)微生物可使本地CO2固定物種或自養(yǎng)生物更方便快捷地生產(chǎn)目標(biāo)燃料，使異養(yǎng)方式占主體的有機(jī)體變?yōu)樽责B(yǎng)生物。氫氣、甲酸、一氧化碳可以促進(jìn)電燃料的生產(chǎn)。

1 CO2的固定

1.1 CO2固定途徑

CO2固定有三種方法:物理法、化學(xué)法和生物法［2］，大多數(shù)的物理和化學(xué)方法最終必須依賴生物法。進(jìn)行CO2固定的生物主要是植物和自養(yǎng)微生物。自養(yǎng)微生物一般有兩類［3］:光能自養(yǎng)型和化能自養(yǎng)型。前者主要包括微藻類和光合細(xì)菌，它們都含有葉綠素，以光為能源，CO2為碳源合成菌體物質(zhì)或代謝產(chǎn)物;后者以 CO2為碳源，H2、H2S、S2O、NH4+、NO3+、Fe2+等為能源。

最普遍的CO2固定途徑是卡爾文循環(huán)(CBB)［4］，主要包括三個(gè)步驟:固定期、還原期、再生期。CO2受體5-磷酸核酮糖轉(zhuǎn)化為3-磷酸甘油酸是CO2的固定反應(yīng)，3-磷酸甘油醛轉(zhuǎn)化為5-磷酸核酮糖是CO2受體的再生反應(yīng)。CBB循環(huán)中的關(guān)鍵酶是1，5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)和5-磷酸核酮糖激酶。從植物、藻類、藍(lán)藻細(xì)菌、紫細(xì)菌，羅爾斯通式菌中都發(fā)現(xiàn)了CBB循環(huán)。羅爾斯通式菌是兼性厭氧菌，它可以與原位電化學(xué)產(chǎn)生的氫結(jié)合生產(chǎn)不同的分子，并且能在糖、脂肪酸、氨基酸、三?；视王ド踔潦歉缓琀2/CO2的環(huán)境中生長［5］，還可以把多余碳轉(zhuǎn)化為聚羥基脂肪酸酯(PHAs)［6］。

厭氧微生物固定CO2主要利用還原性三羧酸循環(huán)(rTCA)和 Wood-Ljungdahl(W-L)途徑［7］。綠硫細(xì)菌和一些硫酸鹽還原菌采用rTCA循環(huán)，每進(jìn)行一次循環(huán)，就有4分子CO2被固定。W-L途徑僅存在于厭氧產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷的古生菌中［8］。產(chǎn)乙酸菌能在H2/CO2環(huán)境中生長并產(chǎn)生氣體和乙酸鹽，有些菌種也可自身合成乙醇、丁酸鹽、丁醇和2，3-丁二醇［9］。這些有機(jī)體都可以作為電燃料生產(chǎn)宿主，已經(jīng)在Clostridium Ljungdahlii中生產(chǎn)出了丁醇［10］。目前有人正在研究產(chǎn)乙酸菌能否直接在石墨陰極生長和接受電子，進(jìn)而生產(chǎn)電燃料［11］。

固定CO2的生物途徑還有生成3-羥基丙酸甲酯(3-HP)，二羧酸酯(DC)和4-羥基丁酸酯(4-HB)。在3-HP循環(huán)中，NADPH作為電子供體，3-HP作為中間體。3-HP途徑只存在于綠屈撓菌屬深分支的少數(shù)菌株以及不屬于古生菌深分支的硫化葉菌目少數(shù)成員中［12］，這種有限分布表明該途徑不適合燃料固碳。

總之，微生物固定CO2的機(jī)理很復(fù)雜，不只以上三種。不同CO2固定途徑的本質(zhì)區(qū)別在于酶的耐受性和氧的氧化還原載體分子。CBB循環(huán)，3-HP/4-HB循環(huán)(單酶4-羥基丁酰COA除外)都是耐氧的。rTCA循環(huán)、W-L途徑、DC/4-HB循環(huán)都可存在于厭氧微生物中，這些途徑中對氧敏感的還原性鐵氧化還原蛋白可作為電子載體。好氧微生物生長需要O2，大規(guī)模生產(chǎn)電燃料需要H2做反應(yīng)底物，因此為了減小好氧菌作宿主生產(chǎn)電燃料所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，可以把氫氣和氧氣分開來設(shè)計(jì)反應(yīng)器［13］，但是用厭氧菌則可以完全避免這些問題。

1.2 CO2的捕集

由CO2制備燃料和其它有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品必須依賴生物固碳作用，而這取決于環(huán)境中CO2的濃度，因此可以通過CO2捕集來獲得大量的碳。CBB通道中Rubisco本身具有固定 CO2和加氧兩種作用［14］，因此它的活性中心受CO2和氧的競爭結(jié)合作用。它與氧結(jié)合可引起光呼吸作用，在此過程中沒有ATP和NADPH的形成，沒有碳的凈積累，只是單純的消耗能量，因此CBB并非碳固定的最佳途徑。

碳酸酐酶(CA)在CO2濃縮中非常重要，它催化CO2和水可逆轉(zhuǎn)化成碳酸氫鹽。CA總共有5類(ɑ，β，γ，δ 和 ζ)，結(jié)構(gòu)和功能都不同［15］。CA 廣泛分布于植物、動(dòng)物、真菌、古生菌和細(xì)菌中。β類在CO2固定機(jī)制中最常見［16］。CA的催化活性主要依賴于金屬輔因子鋅。ɑ，β，γ類CA的催化效率都很高。目前還不清楚宿主中CA的含量是否會(huì)影響異種途徑中CO2的利用率。一些潛在的宿主微生物中還可能存在非典型CO2濃縮機(jī)制。

1.3 CO2固定的分析計(jì)算

利用生物碳固定來生產(chǎn)燃料和通用化學(xué)品引起了人們廣泛的興趣。Boyle和Morgan［17］做了通量分析，以最大生物質(zhì)的產(chǎn)量為目標(biāo)函數(shù)，最終確定了生物質(zhì)合成所需的碳通量和能量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用不同碳固定途徑生成同種核心代謝產(chǎn)物的成本不同，這就表明某種途徑可以更有效地利用單一前體生成指定的產(chǎn)品。W-L途徑和rTCA循環(huán)是最有效的，其次是DC/4HB循環(huán)、3HP/4HB循環(huán)、3HP-bicycle，最后是CBB途徑。在其它通量平衡分析中也發(fā)現(xiàn)了相同規(guī)律。

固碳反應(yīng)的另一個(gè)熱力學(xué)分析集中在ATP需要量和電子載體的還原潛力上，對無機(jī)碳的形式和濃度，細(xì)胞pH值和離子強(qiáng)度的共同作用也進(jìn)行了分析。不同固碳途徑需要ATP的量不同，大多數(shù)情況下，高于所需量的ATP更有利于反應(yīng)的進(jìn)行。鐵氧化還原蛋白(E，＜-400 mV)比NAD(P)H(E，=-320 mV)還原能力弱，氧化兩個(gè)鐵氧化還原蛋白分子產(chǎn)生的能量與ATP水解(＞50 kJ/mol)釋放的能量不相等［18］。不同丙酮酸合成途徑需要的ATP量不同，rTCA循環(huán)需要2個(gè)ATP，而3HP-bi-cycle需要7個(gè)ATP。

對單個(gè)固碳途徑進(jìn)行熱力學(xué)研究，有助于進(jìn)一步闡明其限速步驟。實(shí)現(xiàn)碳的羧化和羰基還原反應(yīng)需要額外的能量，因此可以把反應(yīng)與ATP水解或者其它高能鍵水解進(jìn)行耦合，還可以與ATP水解之外的其它放能反應(yīng)進(jìn)行耦合。

合成途徑不受酶促反應(yīng)界面的限制，但在新型途徑中使用復(fù)合酶可以提高反應(yīng)效率或者減少能量成本。一些合成途徑可利用磷酸烯醇式丙酮酸羧酸酶和C4循環(huán)，也叫C4-乙醛酸循環(huán)。這些途徑產(chǎn)乙醛酸的速率比CBB途徑快2～3倍，但是比rTCA、DC/4H和3HP/HB循環(huán)慢。

2 H2利用

H2可為某些微生物提供能量［19］。多數(shù)產(chǎn)甲烷菌都能用氫作電子供體來合成甲烷。氫化酶可激活H2并催化分子氫和電子載體中的質(zhì)子進(jìn)行可逆互變。常用的氫化酶有［NiFe］-氫化酶，［FeFe］-氫化酶和［Fe］-氫化酶，起催化作用的是處于活性價(jià)位的金屬原子［20］。［NiFe］-氫化酶廣泛存在于細(xì)菌和古生菌中，［FeFe］-氫化酶存在于厭氧菌和厭氧真核生物中，［Fe］-氫化酶只存在于特定的產(chǎn)甲烷古菌中。

電燃料生產(chǎn)宿主R eutropha H16含有3個(gè)［NiFe］-氫化酶，其中兩個(gè)用于氧化氫氣，另一個(gè)用來監(jiān)測環(huán)境中的H2［21］。細(xì)胞質(zhì)中 NAD(P)還原氫化酶(SH)由一個(gè)異二聚體氫氣激活模型(Hox-HY)和一個(gè)異二聚體NADP脫氫酶模型(HoxFU)組成［22］。HoxH 有［NiFe］位點(diǎn)，HoxY 有鐵硫簇。HoxF和HoxU含有多種鐵硫簇和一個(gè)黃素，可以把電子傳給NAD+。SH含有一個(gè)1/5亞單位(HoxI)，可減少NAD+。SH產(chǎn)生的NADH和NADPH主要用于生物合成。R Eutropha中活化H2的另一種氫化酶是異二聚體膜連接［NiFe］-氫化酶(MBH)［23］，它被固定在細(xì)胞膜上，能氧化 H2并且把電子供給有氧呼吸鏈中的醌。MBH有HoxG和HoxK兩個(gè)亞基，HoxG是催化亞基，HoxK有三個(gè)鐵硫簇。b型細(xì)胞色素HoxZ是呼吸鏈的一部分，它可以把MBH和醌連接起來。因此，無論以何種方式，R Eutropha都能夠有效地利用H2進(jìn)行CO2的固定。

3 宿主的開發(fā)

合成生物學(xué)和代謝工程中的工具可用于基因工程微生物合成生物燃料。開發(fā)電燃料宿主有兩種基本途徑:利用自然存在的H2自養(yǎng)生物來生產(chǎn)想要的電燃料，或者是選擇合適的異養(yǎng)生物，利用CO2/H2生產(chǎn)電燃料。第二種方法，需要考慮所選宿主遺傳系統(tǒng)的可用性和微生物能否適應(yīng)生物工藝生產(chǎn)。合成生物學(xué)通過修飾已有的生物或者控制染色體以及一系列代謝途徑重新創(chuàng)造生物。利用染色體修復(fù)得到的新遺傳系統(tǒng)可以高效表達(dá)細(xì)胞質(zhì)氫化酶Ⅰ(SHI)［24］，從而更好地氧化 H2和生產(chǎn) NADPH?；谝勋@得的初步結(jié)果，人們還在努力構(gòu)建電燃料生產(chǎn)宿主。

4 結(jié)語

電燃料具有良好的發(fā)展前景。光合作用生產(chǎn)生物燃料效率很低，非光合作用法生產(chǎn)電燃料可以改善這種現(xiàn)狀，并且緩解溫室效應(yīng)。生產(chǎn)電燃料的有機(jī)體還在開發(fā)過程中。利用生物固碳作用生產(chǎn)生物燃料很有可能取代石油燃料。

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