环境生物学课件 CO2固定

2. CO2固定及其资源化技术 2.2 化学法
● 化学法有矿石碳化、吸收法、化学合成等 (1) 矿石碳化：是利用CO2与金属氧化物发生反应生成稳定的碳酸盐从而将CO2永久 性地固化起来。 (2) 吸收法：则主要采用碱性溶液对CO2进行溶解分离。然后通过脱析分解分离出 CO2气体同时对溶剂进行再生，典型的化学吸收溶剂主要是K2CO3水溶 剂（再加少部分胺盐或钒、砷的氧化物）和乙醇胺类水溶液（如 MEA、DEA和MDEA等）。 (3) 化学合成：包括合成环状碳酸酯、碳酸二甲酯(DMC)、环状尿素和环状尿烷。 CO2加入到环氧化物中合成环状碳酸酯已经工业化，但催化剂的研 制工作仍在继续。
2. CO2固定及其资源化技术 2.3 生物法 ● 生物法固定CO2主要靠植物和微生物的作用。 ● 绿色植物光合作用是地球上最为普遍、规模最大的反应 过程，在有机物合成、保持碳循环的稳定等方面起很大 作用。根据高等植物光合作用碳同化途径的不同，可将 植物划分成为C3植物、C4植物、C3－C4中间植物等。 ● 微生物固碳的环境适应性高于植物。固碳效率是植物 的5－10倍。
图1.1 全球人为温室气体排放
1. CO2与全球重大环境问题 1.1 CO2排放量不断增长
海 洋 酸 化
工业化前的稳态全球C循环
1. CO2与全球重大环境问题
1.2 CO2引发的全球温室效应及其次生问题
莫纳罗亚（红色曲线）和南极（黑色曲 线）观测到的大气CO2浓度
模式仅考虑自然强迫的模拟结果；
模式同时考虑自然和人为强迫的模拟结果；
CO2 Autotrophic Microorganisms
1
Organics
2
3
Cellular components
Exopolysaccharide Heterotrophic Microorganisms
4
Organics
5
Cellular components
3. 微生物固碳及其资源化技术
化能
硫化细菌
铁细菌 锰细菌 一氧化碳细菌 甲烷菌 醋酸菌
厌氧
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2 微生物固定CO2主要途径 ● 自养微生物通过生物氧化（包括氧化磷酸化、光合磷 酸化和发酵）获取能量用于CO2的固定并以此作为自身生 长繁殖的碳源。 ● 至今了解的微生物固定CO2途径主要有5条，即Calvin 循环途径、厌氧乙酰－CoA途径、逆向TCA循环、3-羟基 丙酸/苹果酰-CoA循环(3-羟基丙酸/4-羟基丁酸酯循环)、 和甘氨酸途径，分布在不同种属的微生物中。 ● 卡尔文循环是植物最主要的固碳途径，植物能利用其 合成淀粉等产物。大致可分为三个阶段，即羧化阶段、 还原阶段和再生阶段。而卡尔文循环也是微生物固定 CO2的重要途径。
● 影响生物固碳效率的主要因素为固碳途径及其关键酶的 活性以及CO2固定过程中所需能量的有效供给
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.1 固定CO2微生物种类
表3.1
碳源 能源 光能
固定CO2的微生物种类
好氧／厌氧 好氧 厌氧 微生物 藻类 蓝细菌 光合细菌 硝化细菌 氢-氧化细菌
二 氧 化 碳
好氧
好氧及厌氧条件下驯化
3. 微生物固碳及其资源化技术 (5) 非光合固碳微生物的工艺优化
不同电子供体的影响
30 25
总有机碳(mg/L)
20 15 10 5 0 空白 亚硝酸钠 氯化铵 硫代硫酸钠 硫化钠 氢气 沉积物样 海水样
图2.3 好氧状况下培养4 d菌群TOC值(空白加硫酸铵）
3. 微生物固碳及其资源化技术 （6）非光合固碳微生物菌群的结构
(3) 海洋封存：利用目前CO2的海洋封存主要有2种方案：一种是通过船或管道将CO2输送到封 存地点，并注入1000 m以上深度的海中，使其自然溶解；另一种是将CO2注入 3000 m以上深度的海里，由于CO2的密度大于海水，因此会在海底形成固态的 CO2水化物或液态的CO2湖，从而大大延缓了CO2分解到环境中的过程。 (4) 液体吸收：通过改变CO2与吸收液之间的压力和温度可以达到吸收CO2的目的。常用的 吸收液有丙烯酸酯、甲醇、乙醇、聚乙二醇等高沸点有机溶剂，其吸附能力 取决于操作温度和压力，气体的分压越高或温度越低，系统的吸收能力就越 强。
环境中的微生物固碳可能是多种微生物的多个固碳途径的共同作用
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.3 微生物固定CO2的应用研究 藻类
经济价值较高 产微藻能源
氢－氧化细菌
生长速率快 环境适应性强
需光照培养 不耐高CO2浓度
但培养中需要通 入氢气
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.4 微生物固碳技术的发展趋势 ●筛选在普通环境下高效固碳的微生物 ●开发高效的生物反应器
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2.3 羟基丙酸途径
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2.4 厌氧乙酰－CoA途径
*图中THF为四氢叶酸
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2.5 甘氨酸途径
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2.6 不同微生物固定CO2主要途径
1. 2. 3. 4. 5. Calvin循环 逆向TCA循环 厌氧乙酰-CoA途径和甘氨酸途径 3-羟基丙酸/苹果酰-CoA循环 3-羟基丙酸/4-羟基丁酸酯循环
98
98 99 97 90 100 96 99 98 99 98 98 99 97 99
加入不同电子供体的DGGE分析
14-7 15-2 16-7
3. 微生物固碳及其资源化技术
优势菌的系统发育树
3. 微生物固碳及其资源化技术
（7）混合固碳微生物的优势
不同电子供体的菌群结构（a 来源于海水；b 来源于土壤； c 相似性） 混合微生物形成一个二氧化碳同化系统，微生物间可能产生共生效应 （能量代谢与合成代谢的协同）
观测结果
图1.2 全球和大陆温度变化
1. CO2与全球重大问题
1.2 CO2引发的全球温室效应及其次生问题
土壤荒漠化
海平面上升
灾害天气频发
生物多样性减少
2. CO2固定及其资存方法主要有物理法、化学法 和生物法
2. CO2固定及其资源化技术 2.1 物理法
不同筛选地的DGGE图谱
3. 微生物固碳及其资源化技术
DGGE条带的序列比对结果
割胶条带 1-3 序列长度／bp 189 GenBank数据库中最相似菌种名称（序列号） Uncultured bacterium clone(EU509144) 相似度／% 96
2-4
3-10 4-1 5-2 6-5 7-5 8-3 9-3 10-5 11-3 12-1 13-5
高性能封闭式及 敞开式光生物反 应器开发
能源微藻异养培 养技术
高 性 能 装 备 研 发
高效率固碳及高油脂 产率的能源微藻光自 养培养 非光合固碳微生物 低成本高效采收
能源微藻低成本 高效采收
低碳化土壤 改良剂制备
生物柴油制备 工艺优化
藻渣制备饲料 的工艺优化
（9）微藻/非光合微生物耦合固碳及其资源化技术方案
●基因工程菌（关键酶）
●高效电子供体的研究与开发
●耦合固碳工艺
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.5 不用供氢与光照的固碳微生物
(1) 研究目的： • 处理工业废气 (10％~20％CO2) • 土壤改良 (2) 研究意义： 不仅可以起到减排工业CO2的目的，同时可实现农业CO2的减 排（土壤中二次固碳），是解决土壤荒漠化的可能途径。
3. 微生物固碳及其资源化技术
(3) 非光合固碳微生物的选育
样品来源：黄海、东海、 南海、南极海域的海水和 沉积物（南极样品由极地 所南极考察队提供)。
非光合固碳微生物
3. 微生物固碳及其资源化技术
(4) 非光合固碳微生物的驯化
微生物驯化后固碳能力增长量
驯化时间 驯化6个月
好氧 约50％
厌氧 37％
● 物理法有冷却分离、地质封存、海洋封存和吸收液吸收等等
(1) 冷却分离：利用CO2具有在31℃、7.39 MPa下液化的特点，对烟气进行多级压缩和冷却可 使CO2液化得以分离。
(2) 地质封存：是直接将CO2注入地下的地质构造当中，如油田、天然气储层、含盐地层和不 可采煤层等都适合CO2的储存。与地质封存关联的另一种处理方式是CO2的再 利用。即将CO2注入正接近枯竭的油田以提高石油采收。
B K1 C
E
F K2
G
H
I A J1 D J2
E
F
G
T
H B C
D A
THE END
（8）混合电子供体间交互作用
多种电子供体间存在交互作用（促进或者相互抑制） 某一混合电子供体的固碳效率远高于三种单一电子供体固碳效率的加合 （能量的供应效率和有效性）
3. 微生物固碳及其资源化技术
工业尾气CO2
综合过程控制技术 高效混合电子供体 高传质低能耗的 生物反应器开发
非光合固碳微生物 的高密度培养
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2.1 Calvin循环
*图中①为核酮糖二磷酸羧化酶；②为磷酸核酮糖激酶
Calvin循环的总式为： 6CO2 + 12NAD(P)H2 +18ATP → C6H12O6 + 12NAD(P) +18ADP+18Pi
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2.2 逆向TCA循环
微生物固碳及其在CO2吸收 与资源化中的应用
Application of Carbon Fixation Micro-organisms in Absorption and Resources of CO2
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CO2与重大环境问题
CO2固定及其资源化技术 微生物固碳原理及其应用