提到二氧化碳，很多人便會(huì)很自然地將其與“溫室效應(yīng)”“全球變暖”等聯(lián)系在一起。于是，這個(gè)原本不帶任何感情色彩的中性詞，似乎也就帶有了某種“貶義”。
“二氧化碳、甲醇、甲醛等物質(zhì)都屬于一碳化合物，這類物質(zhì)的共同特點(diǎn)是其分子結(jié)構(gòu)中均含有一個(gè)碳原子；另一個(gè)特點(diǎn)便是部分化合物的確可能導(dǎo)致溫室效應(yīng)。”接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，江南大學(xué)生物工程學(xué)院教授陳修來說。
不過，通過某些方式，這些并不太“討人喜歡”的一碳化合物，完全有可能變身為造福人類的“資源”。
近日，陳修來團(tuán)隊(duì)便成功開發(fā)出一種一碳化合物的高效轉(zhuǎn)化途徑，不僅能夠降低對(duì)化石原料的依賴，還可以將一碳化合物“變廢為寶”，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》。
費(fèi)時(shí)費(fèi)力的傳統(tǒng)方式
在減少大氣中一碳化合物含量，甚至將其轉(zhuǎn)化為有用資源的道路上，人們已經(jīng)探索了很長(zhǎng)時(shí)間。
以二氧化碳為例，據(jù)陳修來介紹，目前人們對(duì)于該化合物的資源化利用主要有兩種方式。
第一種方式是通過自然界的自養(yǎng)微生物和植物的方式固碳。
“所謂自養(yǎng)微生物，是指以二氧化碳為主要或唯一碳源，并以無機(jī)物為氮源，通過光合作用或化能合成作用獲取能量的微生物類群。”陳修來解釋說，在自然界，這類微生物在碳循環(huán)中具有重要作用。比如，微藻每年可固定全球40%以上的二氧化碳。除此之外，植物的通過光合作用所發(fā)揮的固碳作用，同樣不可小覷。
不過，此類自然的碳利用方式只能減少大氣中的二氧化碳含量，不能高效將其轉(zhuǎn)化成有用的資源。于是，人們發(fā)明了另一種方式——電化學(xué)方式。
“顧名思義，電化學(xué)方式就是通過電化學(xué)反應(yīng)，將一碳化合物轉(zhuǎn)化成其他結(jié)構(gòu)和類型的分子。”陳修來解釋說，比如可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化成為乙醇、乙酸等。
這種方式的弊端也是很明顯的。比如，它只能將一碳化合物轉(zhuǎn)化成為二碳化合物，即分子中含有兩個(gè)碳原子的化合物，而不能在單個(gè)分子中固定更多碳原子，這就在很大程度上限制了其固碳效率。
同時(shí)，這種方式由于需要借助電能，因此也會(huì)消耗一定的能源，并可能由此帶來新的溫室氣體排放。
“除此之外，有學(xué)者也在探索將電化學(xué)方式與生物化學(xué)方式相結(jié)合。”陳修來說，具體而言，便是借助電化學(xué)方式，先將一碳化合物轉(zhuǎn)化成為二碳化合物，再借助生物化學(xué)反應(yīng)，將二碳化合物轉(zhuǎn)化為三碳、四碳以及多碳化合物。但由于這種方式涉及兩種截然不同的反應(yīng)模式，工藝相對(duì)繁瑣。
固碳“新途徑”
有沒有一種方式可以避開之前繁瑣的步驟，“一步到位”地實(shí)現(xiàn)對(duì)一碳化合物的轉(zhuǎn)化？
這正是陳修來團(tuán)隊(duì)多年研究的課題，而他們解決問題的“核心力量”，仍是自然界中固碳的“主力軍”——微生物。
仍以二氧化碳為例，陳修來告訴《中國科學(xué)報(bào)》，目前人類已經(jīng)在微生物中發(fā)現(xiàn)了七條不同的二氧化碳固定途徑，它們是微生物實(shí)現(xiàn)二氧化碳利用的基礎(chǔ)。然而，在固碳效率、能量需求及產(chǎn)物多樣性方面，這些天然路徑都存在一定的局限性。
針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)通過合成生物學(xué)的方法，從底層設(shè)計(jì)出發(fā)，構(gòu)建了一條非天然、高效率、低能耗的新型碳固定路徑，即所謂“絲氨酸醛縮酶/蘋果酸酶循環(huán)”。該路徑以二氧化碳和甲醛為共同底物，僅僅需要六步酶催化反應(yīng)，就可以合成中心代謝分子“乙酰輔酶A”。
“簡(jiǎn)單地說，就是我們?cè)谖⑸镱I(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了一種新的酶化學(xué)反應(yīng)，以這種新型反應(yīng)為基礎(chǔ)，我們重新建立了一套針對(duì)一碳化合物的固碳途徑。”陳修來說，相較于傳統(tǒng)方式，這一新途徑的固碳效率可以提升10倍左右。
更重要的是，此類反應(yīng)的產(chǎn)物——乙酰輔酶A雖然也只是二碳化合物，但只要再經(jīng)過簡(jiǎn)單的重復(fù)固碳流程，便可以轉(zhuǎn)化為多種三碳甚至四碳化學(xué)品，比如丙酮酸、3-羥基丙酸、琥珀酸和富馬酸等。
“總之，該技術(shù)可以將溫室氣體與工業(yè)廢氣等一碳化合物，高效地轉(zhuǎn)化為高價(jià)值化學(xué)品，為一碳化合物資源化利用提供了全新方案。”陳修來說，借此，他們希望能夠自下而上地打造新一代的碳固定利用細(xì)胞工廠。
造福人類的“新資源”
據(jù)陳修來介紹，目前這一“細(xì)胞工廠”在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上已經(jīng)取得了成功，并能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，但目前距離大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一些距離。
“主要是在產(chǎn)業(yè)化規(guī)模下，如何維持相關(guān)生物酶的長(zhǎng)時(shí)間的高活性，這個(gè)問題還沒有解決。”他說，這也是他們正在集中攻克的一個(gè)難點(diǎn)問題。
一旦相關(guān)問題得到解決，乃至這項(xiàng)技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，將會(huì)給未來的碳減排工作帶來哪些影響？
對(duì)此，陳修來表示，一碳化合物在自然界來源廣泛、價(jià)格低廉，本身就是構(gòu)建可持續(xù)生物制造體系的重要潛在原料。如果能實(shí)現(xiàn)此類化合物的高效轉(zhuǎn)化，將在很大程度上降低人類對(duì)化石原料的依賴，減少溫室氣體排放。
他解釋說，目前人們所使用的很多化學(xué)品都需要從化石能源中獲得，這一過程中會(huì)產(chǎn)生很多溫室氣體，而一旦可以通過一碳化合物合成，非但會(huì)大大減少化石能源的使用，還能消耗大量二氧化碳等一碳化合物，從而進(jìn)一步減少大氣中溫室氣體的排放。
此外，很多醫(yī)藥、材料等化學(xué)品的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式有賴于微生物對(duì)葡萄糖或淀粉等物質(zhì)的微生物發(fā)酵，而提供這些物質(zhì)往往需要耗費(fèi)大量糧食作物，這就在客觀上造成了“與民爭(zhēng)糧”的狀況。
然而，如果這些化學(xué)物質(zhì)可以通過一碳化合物的轉(zhuǎn)化獲得，將在很大程度上減少化工領(lǐng)域?qū)τ诩Z食作物的消耗。
“未來，如果我們能夠進(jìn)一步拓展該方案，并將其應(yīng)用于微生物細(xì)胞工廠，將有利于推動(dòng)綠色生物制造的可持續(xù)發(fā)展。”陳修來說，屆時(shí)，二氧化碳等溫室氣體或許不再是一種“有害物質(zhì)”，反而將成為造福人類的“新資源”。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165269
本文鏈接：用這種方法，二氧化碳可能變成“新資源”http://www.sq15.cn/show-11-27590-0.html
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