微生物利用二氧化碳合成燃料及化學(xué)品
——第三代生物煉制

王凱，劉子鶴，陳必強(qiáng)，王萌，張洋，畢浩然，周雅莉，霍奕影，譚天偉

（北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029）

近年來，大量的化石燃料燃燒和過量的溫室氣體排放已嚴(yán)重影響環(huán)境和氣候［1-2］。大氣中的CO2濃度在過去的4萬年中一直穩(wěn)定在200～280μL/L［3］，但在最近50年中，濃度急劇上升至近400μL/L，這種非線性增長(zhǎng)仍在持續(xù)，到2050年，二氧化碳水平很可能會(huì)達(dá)到500μL/L［4］，與1900年的水平相比，這可能將導(dǎo)致全球平均溫度上升2°C。如此嚴(yán)重的全球溫度變化將不可避免地增加冰川崩解的風(fēng)險(xiǎn)并造成負(fù)面的連鎖效應(yīng)［5］。隨著合成生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家漸漸開辟了一條為人類活動(dòng)提供綠色環(huán)保替代品的道路（利用微生物生產(chǎn)生物燃料及化學(xué)品），以期達(dá)到節(jié)能減排的社會(huì)生產(chǎn)與發(fā)展模式。例如不斷提升汽油中生物乙醇的混合比例，從而降低溫室氣體的排放并一定程度地減少對(duì)化石燃料的需求。

第三代生物煉制概念的提出［6］，旨在利用大氣中的CO2和可再生能源，例如光、廢水中的無機(jī)化合物、光伏電池和風(fēng)能等可持續(xù)資源產(chǎn)生的電能來進(jìn)行生物生產(chǎn)（圖1）。與第一代和第二代生物煉制相比，第三代生物煉制極大地降低了原料加工成本，對(duì)食品和水源供應(yīng)的安全威脅降低很多。因此，研究人員在第三代生物煉制（CO2利用）方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，例如，已經(jīng)驗(yàn)證了多種天然和合成的CO2固定途徑，并建立光能電能的能量捕獲技術(shù)，部分微生物固碳技術(shù)已成功應(yīng)用并在商業(yè)化模式下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，例如Lanza Tech 公司與寶鋼集團(tuán)合作建立的利用鋼廠廢氣CO、CO2等氣體進(jìn)行生物乙醇的生產(chǎn)［7］。以CO2為原料的微生物制造的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是有效地固定大氣中的二氧化碳和有效地捕獲可再生能源用于生物生產(chǎn)。自養(yǎng)微生物可以利用CO2維持細(xì)胞生長(zhǎng)，但是它們可能無法在工業(yè)條件下定向地高效地生產(chǎn)燃料或化學(xué)物質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)CO2微生物利用的目標(biāo)，已經(jīng)利用合成生物學(xué)的基因編輯手段將自養(yǎng)生物進(jìn)行改造以進(jìn)行化學(xué)品的生產(chǎn)［8-10］，另外，也將CO2固定途徑整合到了異養(yǎng)微生物細(xì)胞工廠中進(jìn)行CO2的利用［11-14］。

本文作者匯總了當(dāng)前已驗(yàn)證的CO2固定途徑的全面數(shù)據(jù)集，包括關(guān)鍵蛋白、酶動(dòng)力學(xué)、產(chǎn)物以及能量消耗等；并分析了微生物CO2利用下的不同能量捕獲技術(shù)，包括光自養(yǎng)合成和自養(yǎng)電合成，提出了與每種技術(shù)適配的菌株的選擇方案；最后我們以對(duì)未來工程方向的討論作為結(jié)束。

1 CO2微生物固定途徑

在過去的40 億年中，自然界已經(jīng)發(fā)展出多樣而復(fù)雜的二氧化碳固定途徑。迄今為止，已經(jīng)驗(yàn)證了幾種固定二氧化碳的途徑，并提出了不同的理論途徑。在下文中，我們介紹了這些途徑，并討論了它們當(dāng)前在能量供應(yīng)、酶動(dòng)力學(xué)、碳物種和濃縮機(jī)制等方面的局限性。

1.1 已驗(yàn)證的二氧化碳固定途徑

迄今為止，已被驗(yàn)證的二氧化碳固定途徑可以根據(jù)其特征（例如碳固定反應(yīng)和固定的碳種類）分為六類，并在幾篇文章中進(jìn)行了一定的總結(jié)，而本文著重于闡述每種途徑的共有與獨(dú)特的特征（表1）［15-27］。

圖1 三代生物煉制概述Fig.1 Overview of three generations of biorefineries

表1 天然二氧化碳固定途徑的比較［21-27］Tab.1 Comparison of natural carbon dioxide fixation pathways［21-27］

Calvin-Benson-Bassham 循環(huán)（CBB 循環(huán)，也稱卡爾文循環(huán)，或還原性戊糖磷酸循環(huán)）以碳水化合物為中心，并且與戊糖磷酸途徑密切相關(guān)。大多數(shù)植物、藻類、藍(lán)細(xì)菌和蛋白細(xì)菌都使用CBB 循環(huán)進(jìn)行碳物質(zhì)的利用［17］。CBB 循環(huán)中的關(guān)鍵酶是1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）［18］，而1，7-雙磷酸七庚糖酶的過表達(dá)也增加了光合速率和細(xì)胞生長(zhǎng)，表明該酶在CBB 循環(huán)通量控制中有著一定的作用［19］。最近，一個(gè)完整的CBB 循環(huán)被引入到大腸桿菌中，并以甲酸（也可以通過電化學(xué)方式由CO2生成的甲酸）作為電子供體，從而實(shí)現(xiàn)了大腸桿菌完全由CO2供能供碳的自養(yǎng)生長(zhǎng)模式［20］。

Wood-Ljungdahl 途徑（W-L 途徑，也稱還原性乙酰輔酶A 途徑）［28］和還原性甘氨酸途徑［29］是直接減少CO2的途徑。這兩種途徑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常相似。例如，首先將CO2還原并附著到C1載體上，然后再附著到另一個(gè)CO2分子上以生成C2化合物。Wood-Ljungdahl 途徑中的關(guān)鍵酶是CO脫氫酶與甲酸脫氫酶［30］。Wood-Ljungdahl 途徑在多種生物中具有活性，包括變形桿菌、扁平菌和螺旋線蟲［30］。最近，Papoutsakis 教授團(tuán)隊(duì)在丙酮丁醇梭菌中表達(dá)了來自Clostridium ljungdahlii的Wood-Ljungdahl 途徑的11 個(gè)核心基因，并報(bào)道了兩個(gè)CO2固定分支都在丙酮丁醇梭菌中起作用。但是，連接兩個(gè)分支的反應(yīng)需要進(jìn)一步優(yōu)化［31-32］。在另一項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)還原性甘氨酸途徑中的限速步驟是由還原甘氨酸裂解復(fù)合物催化的，還原性甘氨酸途徑被認(rèn)為是可行的二氧化碳固定合成途徑［33］。最近，F(xiàn)igueroa 團(tuán)隊(duì)研究顯示在磷酸鹽氧化細(xì)菌假絲酵母厭氧菌中可能存在天然的還原性甘氨酸途徑，但是仍然需要對(duì)該菌株進(jìn)行徹底的生化分析，以確定還原性的甘氨酸途徑是否自然存在并可以支持自養(yǎng)生長(zhǎng)［34］。用于生產(chǎn)細(xì)胞甘氨酸和絲氨酸的還原性甘氨酸途徑的異養(yǎng)表達(dá)已在大腸桿菌［29，35-36］和釀酒酵母［37］中得到證實(shí)。

二羧酸/4-羥基丁酸（DC/HB）循環(huán)［38］、3-羥基丙酸/4-羥基丁酸（HP/HB）循環(huán)［39］、3-羥基丙酸（3-HP）雙循環(huán)［25，40］和還原性TCA 循環(huán)［41］是圍繞常見的中間體演化而來的。例如，這些途徑均利用兩種保守的代謝產(chǎn)物琥珀酰輔酶A 和乙酰輔酶A，并且每個(gè)循環(huán)與該組中的另一個(gè)循環(huán)共享多個(gè)反應(yīng)。根據(jù)固定的碳種類，這4個(gè)途徑被進(jìn)一步分為3類：

（1）DC/ HB 循環(huán)通過丙酮酸合酶固定1mol CO2，通過磷酸烯醇丙酮酸（PEP）羧化酶固定1mol碳酸氫鹽。DC/HB循環(huán)中的關(guān)鍵酶是4-羥基丁酰輔酶A 脫水酶［42］。這種含F(xiàn)AD 的酶含有一個(gè)對(duì)氧不穩(wěn)定的鐵硫中心，但具有足夠的耐氧性［42］。迄今為止，已經(jīng)在厭氧菌中發(fā)現(xiàn)了這種循環(huán)，但尚未報(bào)道該循環(huán)的異源表達(dá)，該途徑需要各種鐵硫蛋白和硫酯［38］。

（2）HP/HB 循環(huán)［39］和3-HP 雙循環(huán)［25，40］通過乙酰輔酶A/丙酰輔酶A羧化酶吸收2mol碳酸氫鹽。這兩個(gè)循環(huán)都具有非常高的能量需求，并且這些循環(huán)能夠通過進(jìn)化而留存下來的原因可能是由于它們可以耐受氧氣并吸收碳酸氫鹽（而不是二氧化碳）。吸收碳酸氫鹽是有利的，因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)碳酸氫鹽的濃度可以比細(xì)胞內(nèi)CO2的濃度高得多。HP/HB 循環(huán)中的關(guān)鍵酶是4-羥基丁酰輔酶A脫水酶［42］，到目前為止，該循環(huán)僅在有氧古生菌株中發(fā)現(xiàn)［30］。最近，Keller 團(tuán)隊(duì)在熱球菌中表達(dá)了來自景天金屬小球藻的5 個(gè)HP/HB 周期基因，并成功地從H2和CO2中產(chǎn)生了3-羥基丙酸［43］。另一方面，3-HP雙循環(huán)中的關(guān)鍵酶包括丙二酰輔酶A還原酶［44］和丙酰輔酶A合酶［45］。最近，Way等將3-HP雙循環(huán)分為4個(gè)亞組，并在大腸桿菌中分別表達(dá)它們，這表明所有亞組都可以補(bǔ)充宿主突變，但是，所有3-HP雙循環(huán)基因的異源表達(dá)未能使菌株進(jìn)行自養(yǎng)生長(zhǎng)［46］。為實(shí)現(xiàn)3-HP雙循環(huán)的自養(yǎng)生長(zhǎng)，可能需要減輕代謝途徑中次級(jí)代謝產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的有害影響，可以通過電合成改善還原力的供給，并優(yōu)化總體碳通量。

（3）還原性TCA 循環(huán)通過逆轉(zhuǎn)氧化TCA 循環(huán)而固定了2mol CO2。還原性TCA循環(huán)中的關(guān)鍵酶包括ATP檸檬酸裂合酶和2-酮戊二酸合酶［21，42］。長(zhǎng)期以來，人們認(rèn)為檸檬酸合酶催化了乙酰輔酶A和草酰乙酸不可逆地形成檸檬酸。因此，為了自養(yǎng)生長(zhǎng)，必須用ATP檸檬酸裂合酶或檸檬酸輔酶A合酶［47］與檸檬酸輔酶A裂合酶［48］代替檸檬酸鹽合酶。最近的研究表明，在乙酸鹽脫硫桿菌中［49］，天然檸檬酸合酶可以催化正向和反向反應(yīng)，但是，這些檸檬酸鹽合酶是否能夠支持重組宿主中的細(xì)胞生長(zhǎng)尚不清楚。已經(jīng)在綠硫細(xì)菌和水生細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)還原性TCA 循環(huán)［30］。Liu等將還原性TCA循環(huán)整合到大腸桿菌的周質(zhì)中，并使葡萄糖中蘋果酸的產(chǎn)量翻了一倍［50］。

1.2 二氧化碳固定途徑新思路

在現(xiàn)有的CO2固定途徑外，研究人員對(duì)一些未知的固碳途徑也進(jìn)行了一定的探索。對(duì)許多自養(yǎng)生物的基因組分析顯示，某些物種，如嗜酸亞鐵桿狀菌和砷熱解熱菌，不具有任何已知的CO2固定途徑的基因［51］，這表明可能還有其他尚未被鑒定的自養(yǎng)途徑。潛在的CO2固定途徑的鑒定需要對(duì)更多生物進(jìn)行基因組測(cè)序，以確定它們是否使用已知的CO2固定途徑，并進(jìn)行詳細(xì)的生化分析，然后重建和驗(yàn)證生物途徑和網(wǎng)絡(luò)。

另外，研究人員還提出了多條用于固定二氧化碳的理論途徑。例如，已經(jīng)提出的結(jié)合3-HP 雙循環(huán)和DC/HB 循環(huán)中的反應(yīng)步驟而形成的一種新的碳固定途徑，其可通過丙酮酸合酶固定1mol CO2同時(shí)經(jīng)由PEP 羧化酶固定1mol 碳酸氫鹽，僅經(jīng)過6 個(gè)步驟即生成乙醛酸［15］。Bar-Even 教授團(tuán)隊(duì)使用建模方法分析了5000 種代謝酶，并根據(jù)拓?fù)?、ATP 效率、動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)可行性探索了可能的固碳替代途徑［52］?；诖耍麄兲岢隽吮oA-草酰乙酸-乙醛酸（MOG）途徑，通過PEP羧化酶固定2mol 碳酸氫鹽生成乙醛酸酯。MOG途徑借用了C4植物中自然進(jìn)化的機(jī)制，其中碳首先被PEP 羧化酶固定以生成草酰乙酸，然后生成蘋果酸，最后將蘋果酸脫羧形成丙酮酸以完成循環(huán)。但在MOG 途徑中，釋放的CO2由PEP 羧化酶使用，而不是由RuBisCO 使用，就像在C4循環(huán)中一樣。有人認(rèn)為，就途徑的特異性、動(dòng)力學(xué)和ATP 效率而言，MOG 途徑優(yōu)于卡爾文循環(huán)［52］。

總之，對(duì)具有更高比活力并對(duì)碳酸氫根具有更高親和力的羧化酶的探究，對(duì)于開發(fā)新的CO2固定途徑起著一定的促進(jìn)作用。

2 CO2固定途徑中的關(guān)鍵影響因素

為了在CO2固定途徑中獲得高的固碳效率與生物生產(chǎn)，了解每個(gè)途徑的機(jī)制至關(guān)重要，例如途徑中的氧敏感性、能量需求、碳的種類和富集機(jī)制等。

2.1 氧敏感性

是否具有在氧氣存在下運(yùn)行的能力是區(qū)分CO2固定途徑的一個(gè)重要的因素。CO2固定途徑中的氧敏感酶包括CO脫氫酶/乙酰輔酶A合酶、丙酮酸合酶、鐵氧還蛋白依賴性2-酮戊二酸合酶和一些金屬依賴性甲酸鹽脫氫酶［42］。

通常，Wood-Ljungdahl途徑只能在嚴(yán)格的厭氧條件下運(yùn)行，因?yàn)樗褂昧髓F氧還蛋白和對(duì)氧非常敏感的CO 脫氫酶/乙酰輔酶A 合酶。DC/HB 循環(huán)和還原性TCA 循環(huán)具有對(duì)氧敏感的酶，但可以在厭氧和微需氧條件下運(yùn)行。相比之下，卡爾文循環(huán)、還原甘氨酸途徑、3-HP 雙循環(huán)和HP/HB 循環(huán)都可以在完全有氧的條件下運(yùn)行［21］。但是，氧的敏感性在各種途徑和生物之間有很大的不同，從而使某些對(duì)氧敏感的酶或途徑在有氧條件下也可以發(fā)揮催化作用。例如，C3植物中的卡爾文循環(huán)具有耐氧性，但是，RuBisCO 可能會(huì)競(jìng)爭(zhēng)性地氧化1，5-二磷酸核酮糖，并使光合效率降低20%～50%［53］。

有氧自養(yǎng)生長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品的生物合成，但是，必須注意如何提高這種類型生物的生產(chǎn)量，因?yàn)樵贠2呼吸中需要大量的還原力才能產(chǎn)生ATP；另一方面，厭氧自養(yǎng)生物通常生長(zhǎng)速度低，細(xì)胞密度低，或者它們合成的ATP 含量太少而無法產(chǎn)生能量密集的產(chǎn)品［54］。然而，利用有氧固氮途徑和厭氧固氮途徑的微生物生產(chǎn)都具有與工業(yè)相關(guān)的滴度和生產(chǎn)率［55］。

2.2 能量需求

所需的還原當(dāng)量（僅基于起始化合物和終止化合物中的電子數(shù)計(jì)算）在所有CO2固定途徑中都明顯相同，而ATP的要求卻有很大差異，ATP的變化范圍從小于1mol 到9mol。這些不同的ATP 需求可以從三個(gè)方面來解釋：①有氧或厭氧代謝，通常，在有氧條件下活躍的途徑比在無氧條件下活躍的途徑消耗更多的ATP，并且氧氣的利用可以提供大量的ATP；②還原當(dāng)量和電子給體，例如，鐵氧還蛋白（E'0=-430 mV）提供的能量驅(qū)動(dòng)力比NAD(P)H（-320 mV）高；因此，用兩種鐵氧還蛋白替代NAD(P)H 可 提 供約20kJ/mol 的額外能量驅(qū)動(dòng)［56］。③類似地，由于H2S 的燃燒熱（ΔHc=519 kJ/mol）比元素硫的燃燒熱（293kJ/mol）高，因此該電子給體/受體對(duì)可提供226kJ/mol 的額外能量（以電子給體/受體對(duì)H2O/O2為參比）［57］。

2.3 碳的種類和富集機(jī)制

在CO2的微生物利用方面，其使用的碳物種主要包括CO2和碳酸氫鹽。CO2在與空氣（pH 7.4，20℃） 平衡時(shí)，其在水中溶解的濃度僅為0.012mmol/L［42］，由于該濃度高度依賴于溫度和鹽度［58］，并且大多數(shù)生物體對(duì)高溫和鹽度敏感，因此很難在體內(nèi)優(yōu)化該值。另外，與空氣（pH 7.4，20℃）平衡時(shí)的碳酸氫鹽濃度為0.26mmol/L［42］。該值主要取決于溶解的CO2濃度和pH（pKa［HCO3-/CO2］= 6.3），在海水（pH7.8～8.2）中甚至更高。因此，使用碳酸氫鹽的碳固定反應(yīng)可能比使用二氧化碳的碳固定反應(yīng)更有效。

底物濃度的增加可以改善熱力學(xué)和酶轉(zhuǎn)化效率，以及降低酶的副反應(yīng)效率?？梢酝ㄟ^依賴于能量的CO2捕獲機(jī)制來優(yōu)化CO2的濃度，包括使用CO2濃縮機(jī)制（CCM）、跨膜碳酸氫鹽泵、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白［59］以及碳酸酐酶和羧化酶含量高的固碳細(xì)胞器微室等［60］。

3 CO2固定能量利用

碳從CO2（氧化態(tài)+4）同化為生物質(zhì)（氧化態(tài)約0）需要大量能量，隨著生物技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)菌株的不斷探索，現(xiàn)在微生物也可以從光能或電能收集中獲取能量以支持其生長(zhǎng)與生產(chǎn)，也稱為人工碳固定系統(tǒng)（圖2）。當(dāng)前，微生物CO2的利用在碳利用效率方面落后于傳統(tǒng)的五碳糖與六碳糖的利用效率。然而，其能量轉(zhuǎn)化效率較高，例如，在五碳糖與六碳糖的利用中，太陽(yáng)能到生物質(zhì)到產(chǎn)品的總能量轉(zhuǎn)換效率估計(jì)僅為約0.2%［61］，而據(jù)報(bào)道光合自養(yǎng)生物的太陽(yáng)能到產(chǎn)品的效率為1%～3%［61］，化能自養(yǎng)微生物生成化學(xué)品（如H2）的效率約為7%［61］，自養(yǎng)電合成微生物的太陽(yáng)能到產(chǎn)品的生成效率可高達(dá)9%～10%［62］。

3.1 光能利用：光合自養(yǎng)

光合自養(yǎng)利用光子的能量將CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物。光合生物可分為產(chǎn)氧光合生物（如植物、藻類、藍(lán)細(xì)菌）以及不產(chǎn)氧光合生物（如綠硫細(xì)菌）。產(chǎn)氧光合生物主要利用CBB循環(huán)，而不產(chǎn)氧光合生物利用各種不同的途徑，例如CBB 循環(huán)與還原性TCA 循環(huán)［30］。最近的研究表明表達(dá)蛋白視紫紅質(zhì)光系統(tǒng)的大腸桿菌［63］和與光捕獲納米顆粒整合在一起的釀酒酵母［64］使用光生電子進(jìn)行細(xì)胞生長(zhǎng)和生產(chǎn)，為工業(yè)模式菌株的光合自養(yǎng)合成鋪平了道路。但是，這些光合生物雜交系統(tǒng)仍處于開發(fā)的初期，其他挑戰(zhàn)包括材料的生物相容性、光收集裝置的選擇以及生物和非生物成分的無縫耦聯(lián)等方面仍需要進(jìn)行不斷的研究與探索。近期楊培東教授團(tuán)隊(duì)在光合生物雜交系統(tǒng)方面，作了較為全面的介紹［1］。

3.2 電能利用：電能耦合的生物合成

電能耦合的生物合成需利用電力，該電力可以通過多種可再生資源（包括光、風(fēng)、潮汐、水力和地?zé)幔┊a(chǎn)生，將CO2轉(zhuǎn)化為微生物系統(tǒng)中的燃料和化學(xué)物質(zhì)。目前，CBB 循環(huán)［65］與Wood-Ljungdahl途徑［66］已在電化學(xué)微生物體系中進(jìn)行了一定的應(yīng)用。

根據(jù)能量輸送策略，電能微生物耦合系統(tǒng)可分為直接電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)和能量載體轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，微生物既可以直接吸收這些能量將CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物，也可以憑借能量載體轉(zhuǎn)移系統(tǒng)來利用外源的電能，從而進(jìn)行CO2的活化與利用［67］。一方面，外生電物種，例如梭菌和穆爾氏菌，可用于低驅(qū)動(dòng)電壓直接電荷轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，并表現(xiàn)出獨(dú)特而有效的機(jī)制，促進(jìn)電子在細(xì)胞膜和導(dǎo)電表面之間轉(zhuǎn)移［68］。另一方面，在能量載體轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中，低驅(qū)動(dòng)電壓可用于產(chǎn)生能量載體，例如甲酸鹽、氫、一氧化碳、甲醇、甲烷、氨、硫化氫和亞鐵鹽，以支持細(xì)胞生長(zhǎng)［69］。H2、CO 和甲酸是厭氧條件下自養(yǎng)電合成的有吸引力的能量載體［69］，但是由于H2和CO 是易燃?xì)怏w，因此在有氧自養(yǎng)性電合成下將其用作電子載體可能會(huì)引發(fā)安全隱患。因此，我們認(rèn)為甲酸鹽在有氧條件下可能代表更有希望的能量載體，因?yàn)榧姿猁}具有高溶解度和高氧化還原電位，但不需要額外的電子受體，也不會(huì)產(chǎn)生與揮發(fā)性有關(guān)的安全隱患。另一方面，由于甲醇具有與甲酸類似的高溶解度與利用效率，也被認(rèn)為是一種良好的C1利用原料［35，70-72］。同樣，近期的一篇綜述文章在微生物的電能利用方面，對(duì)CO2固定、氮?dú)膺€原和氨氣生產(chǎn)進(jìn)行了闡述，并且在電子轉(zhuǎn)移機(jī)理、電極對(duì)生物電催化的影響、生物電催化生產(chǎn)生物燃料等方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的總結(jié)［73］。

圖2 人工碳固定系統(tǒng)Fig.2 Artificial carbon fixation system

4 展 望

微生物的CO2利用提供了通過閉環(huán)循環(huán)資源和減少二氧化碳排放以解決生態(tài)和社會(huì)問題的機(jī)會(huì)［74］。氣候變化增加了人們對(duì)使用替代技術(shù)來生產(chǎn)燃料和化學(xué)品的需求的認(rèn)識(shí)，而微生物的CO2利用提供了收集和循環(huán)利用CO2的機(jī)會(huì)。但是，考慮到實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)所需的高成本和大量時(shí)間的投資，仍然需要進(jìn)一步增加社會(huì)、政治和經(jīng)濟(jì)激勵(lì)措施。

如何確定理想的生產(chǎn)宿主也是一個(gè)較為困難的問題，但應(yīng)考慮以下特征：原料耐受性（煙氣或廢物流），培養(yǎng)條件（開放池塘或密閉條件，淡水、廢水或海水，氮源及能源等），目標(biāo)產(chǎn)物（氧化或還原形式，有價(jià)值的產(chǎn)物或大宗化學(xué)品以及產(chǎn)物耐受性），能量捕獲效率，碳固定效率，細(xì)胞生長(zhǎng)率，生產(chǎn)能力（實(shí)際產(chǎn)量和生產(chǎn)效率），對(duì)污染和環(huán)境挑戰(zhàn)的魯棒性，細(xì)胞代謝過程，基因操作的可行性和穩(wěn)定性。與特征明確的模型生物相比，工程自養(yǎng)生物的挑戰(zhàn)可能包括其生長(zhǎng)相對(duì)緩慢、培養(yǎng)策略復(fù)雜或缺乏有效的基因編輯工具；而將自養(yǎng)途徑整合到模型異養(yǎng)生物中的挑戰(zhàn)可能包括外源自養(yǎng)能量系統(tǒng)與宿主能量系統(tǒng)不適配、外源酶在宿主體內(nèi)表達(dá)情況較差等［75］。有氧自養(yǎng)生物可能比厭氧自養(yǎng)生物更適合用于合成需要ATP的產(chǎn)物，而厭氧自養(yǎng)生物可能比有氧自養(yǎng)生物更適合自養(yǎng)電合成。此外，按比例放大仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)闉楣庾责B(yǎng)生物提供足夠的光、為有氧化學(xué)自養(yǎng)生物提供潛在的爆炸性氣體混合物（O2、H2、CO 等）以及自養(yǎng)電合成的電子轉(zhuǎn)移效率有關(guān)的困難仍然存在。在這里，我們建議采用有吸引力的宿主生物包括光合自養(yǎng)生物， 例如Scenedesmus obliquus（已在商業(yè)流程中使用［76］）、梭狀芽孢桿菌（可從煙道中去除95.9%的CO2、100%的SO2和84.2%的NO［77］）、可實(shí)現(xiàn)高碳回收率的厭氧梭菌（ 如Clostridium ljungdahlii、Clostridium autoethanogenum），以及大腸桿菌和釀酒酵母等模式生物。

總而言之，我們相信，盡管面臨技術(shù)挑戰(zhàn)和市場(chǎng)準(zhǔn)入障礙，但隨著近期技術(shù)的進(jìn)步，微生物的CO2利用可能會(huì)對(duì)建立可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)做出重大貢獻(xiàn)。未來的研究方向應(yīng)將微生物的CO2利用作為一個(gè)單獨(dú)的研究模塊，包括原料供應(yīng)和耐受性、碳固定和利用技術(shù)、能量收集技術(shù)以及發(fā)酵工程技術(shù)等。