生化反应工程论文
酶法和微藻对CO2的固定和转化
学院生命科学与技术学院
姓名张小霞
学号2014201091
任课老师陈必强冯巍
酶法和微藻对CO2的固定和转化
生命科学与技术学院张小霞2014201091
摘要：CO2是导致温室效应的主要气体，固定和转化CO2已成为近几年研究的重点。目前，CO2的固定方法有物理法、化学法和生物法，生物法主要指酶法和微藻固定CO2，由于其反应条件温和且绿色无污染，并且微藻固定CO2同时还能产生其他高附加值产品如生物柴油，这也提高了微藻的综合利用，成为最环保、最有发展前景的方法。本文论述了生物法固定CO2技术存在的困难及可能解决的方法，为其发展提供参考。
关键词：二氧化碳；酶法固定CO2；微藻；菌种选育；基因工程
CO2是碳和含碳化合物的最终氧化产物，在地球上储量极为丰富，在大气中的含量约为0.03%～0.04%，总量约为2.75×1012 t。随着工业化进程的加快，人类大量使用煤和石油等化石燃料，CO2的排放量急剧攀升[1]，严重影响生态平衡，并导致了温室效应以及一系列与人类生活环境紧密相关的生态问题，严重地威胁着人类的生存环境。因此，CO2的固定和再利用一直是备受关注和亟待解决的问题。CO2作为未来碳源，既可弥补因石油、天然气的大量消耗而引起的“碳源危机”，又可有效地缓解温室效应问题。所以，世界各国对CO2开发、利用、转化、固定的高度重视，使得CO2的研究开发工作近年来取得了迅猛的发展。依据现行技术的特性分类，大致可分为物理CO2固定法、化学CO2固定法和生物CO2固定法三大类。本文主要论述使用生物法即酶法和微藻对CO2进行固定和转化。
1 生物CO2固定法简介
生物CO2固定法是地球上最主要和最有效的固碳方式，在碳循环中起决定作用，利用此法来进行CO2固定和减排，符合自然界循环和节省能源的理想方式。香山科学会议第279次学术讨论会与会专家认为，生物固碳是最安全有效、经济的固碳工程。能利用该法进行固碳的主要是植物、光合细菌以及藻类。微藻具有光合速率高、繁殖快、环境适应性强、处理效率高、可调控以及易与其他工程技术集成等优点，且可获得高效、立体、高密度的培养技术，同时固碳后产生
大量的藻体具有很好的利用价值，因此具有高度的工业化潜力。故微藻CO2固定有望成为一种具有相当可行性和经济价值的CO2固定方法。从持续发展的角度来看，生物CO2固定技术，尤其是微藻减排CO2技术，更具环保、经济、彻底、符合自然界循环的独特优势，为人类解决能源、环境问题提供了一条全新而有效的固碳模式，受到国内外研究者的高度重视。
2 酶法固定CO2
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。比如转化CO2生成甲酸、甲醇，或其它一些有机酸，完成物质的代谢过程，并生成生物体内的代谢产物（如草酰乙酸、α—酮戊二酸、异柠檬酸等）。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）。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。
2.1 酶法固定CO2合成甲醇
生物体内的酶催化反应大多是连续的，通过多酶连续催化可以得到不同的产物。在体外，多酶体系用于固定CO2的研究也很多。1999 年，Obert 等[2]将甲酸脱氢酶（FateDH）、甲醛脱氢酶（FaldDH）和醇脱氢酶（ADH）同时固定于硅胶基质中，以NADH 作为每个酶催化还原的终端电子供体将CO2转化为甲醇，甲醇得率达到了91.2%，反应体系如图1所示。自此，甲醇一直是CO2催化转化的一个研究方向。
Bilal 等[3]提出了辅因子循环的策略，将CO2生成甲醇的顺序反应与谷氨酸脱氨生成α—酮戊二酸的反应相偶联：催化CO2生成甲醇的3个脱氢酶（FateDH、FaldDH 及ADH）均以NADH 为辅酶，在催化过程中不断将NADH 转化为NAD+；而谷氨酸生成α—酮戊二酸的过程不断消耗NAD+生成NADH，由此，在反应过程中实现了辅因子的循环再生。将还原CO2生成甲醇的三酶体系与谷氨酸脱氢酶（GDH）共固定，并将辅酶NADH 共价结合到微粒上，构建固定化的多酶体系，该固定化体系表现出良好的稳定性和可重复性。重复利用11 次之后仍保留超过80%的活力，基于辅因子数量的甲醇累积得率达到127%。图 2
所示为带有辅因子循环的多酶反应体系。
图1 CO2到甲醇转化过程示意图
图2 带有NADH原位再生的CO2到甲醇的转化体系
2.2 酶法转化CO2为丙酮酸、乳酸等高附加值产品
Miyazaki 等[4]报道了一种新的酶合成方法，以丙酮酸脱羧酶为催化剂，硫胺素焦磷酸为辅酶，在高pH 值缓冲液条件下，以CO2和乙醛为底物实现了由CO2到丙酮酸的转化。此后又采用此法实现了CO2到乳酸的酶法合成[5]。
图3 从CO2和乙醇合成L-乳酸的酶反应路线
3微藻减排二氧化碳的研究进展
近些年国内外对微藻固定C02技术的研究主要从3个方面开展：（1）筛选和培育高效、耐高C02浓度及抗污染的藻种（2）结合其他领域新技术，开发新型高效光生物反应器和工艺过程；（3）在固碳的过程中利用微藻本身代谢特点，同时生产高价值生物燃料或高附加值有用物质。
3.1 耐高浓度CO2的微藻筛选
岳丽宏等[6]在青岛某温泉中分离得到一株可耐高浓度CO2的绿藻，命名为KX-2 藻，通过在培养基中通入不同浓度的CO2研究其CO2耐受性，发现在CO2浓度为60%～80%时KX-2 藻仍能缓慢生长，当CO2体积分数为15%时，生长最好。Chang等[7]在中国台湾200多种微藻中筛选出1种单细胞绿藻Chlorella sp. NTU-H15，发现该藻能在60% CO2的环境中生长，当CO2体积分数为5%时，固碳速率最大。夏金兰等[8]采用原生质体-紫外诱变技术，以55℃高温培养为选择压力，从内蒙古筛选得到Chlorella sorokiniana CS-01，将该藻用于固定烟道气中的CO2，发现烟道气中高浓度的CO2气体有效地促进了藻细胞的生长，生长周期缩短2天。显然，高浓度CO2对该藻的生长起到了积极作用。表1总结了部分耐受高CO2浓度的藻种，可见，耐高浓度CO2的微藻以绿藻和蓝藻为主，尤其是绿藻中的小球藻。同时，也可以结合基因工程改造方法，改良微藻体内的代谢酶系或者引入外源代谢途径，可以提高微藻的固碳效率。
表1 部分耐受高CO2浓度菌种类型
藻类藻种耐受CO2体积分数/%
绿藻月牙藻（Selenastrum KX-2）60～80
小球藻NTU-H15（Chlorella sp. NTU-H15）60
小球藻（Chlorella sorokiniana CS-01）>13
小球藻ZY-1（Chlorella sp. ZY-1）70
小球藻（Chlorella kessleri）18
斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）18 蓝藻嗜热蓝藻（Chlorogleopsis sp.） 5
螺旋藻（Spirulina sp.）18
