二氧化碳和氫氣轉化為液體燃料的研究進展

冀 雪

(青島科技大學化工學院，山東青島 266042)

利用光合作用有機體生產生物燃料存在一些限制因素，阻礙了可再生液體燃料工業的發展。有些有機體能直接利用CO2和電解水制得的H2生產高能量液體燃料——“電燃料”［1］。發展電燃料生產微生物可使本地CO2固定物種或自養生物更方便快捷地生產目標燃料，使異養方式占主體的有機體變為自養生物。氫氣、甲酸、一氧化碳可以促進電燃料的生產。

1 CO2的固定

1.1 CO2固定途徑

CO2固定有三種方法:物理法、化學法和生物法［2］，大多數的物理和化學方法最終必須依賴生物法。進行CO2固定的生物主要是植物和自養微生物。自養微生物一般有兩類［3］:光能自養型和化能自養型。前者主要包括微藻類和光合細菌，它們都含有葉綠素，以光為能源，CO2為碳源合成菌體物質或代謝產物;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(CBB)［4］，主要包括三個步驟:固定期、還原期、再生期。CO2受體5-磷酸核酮糖轉化為3-磷酸甘油酸是CO2的固定反應，3-磷酸甘油醛轉化為5-磷酸核酮糖是CO2受體的再生反應。CBB循環中的關鍵酶是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、藍藻細菌、紫細菌，羅爾斯通式菌中都發現了CBB循環。羅爾斯通式菌是兼性厭氧菌，它可以與原位電化學產生的氫結合生產不同的分子，并且能在糖、脂肪酸、氨基酸、三酰基甘油酯甚至是富含H2/CO2的環境中生長［5］，還可以把多余碳轉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(rTCA)和 Wood-Ljungdahl(W-L)途徑［7］。綠硫細菌和一些硫酸鹽還原菌采用rTCA循環，每進行一次循環，就有4分子CO2被固定。W-L途徑僅存在于厭氧產乙酸菌和產甲烷的古生菌中［8］。產乙酸菌能在H2/CO2環境中生長并產生氣體和乙酸鹽，有些菌種也可自身合成乙醇、丁酸鹽、丁醇和2，3-丁二醇［9］。這些有機體都可以作為電燃料生產宿主，已經在Clostridium Ljungdahlii中生產出了丁醇［10］。目前有人正在研究產乙酸菌能否直接在石墨陰極生長和接受電子，進而生產電燃料［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菌株以及不屬于古生菌深分支的硫化葉菌目少數成員中［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的機理很復雜，不只以上三種。不同CO2固定途徑的本質區別在于酶的耐受性和氧的氧化還原載體分子。CBB循環，3-HP/4-HB循環(單酶4-羥基丁酰COA除外)都是耐氧的。rTCA循環、W-L途徑、DC/4-HB循環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，大規模生產電燃料需要H2做反應底物，因此為了減小好氧菌作宿主生產電燃料所帶來的風險，可以把氫氣和氧氣分開來設計反應器［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化學產品必須依賴生物固碳作用，而這取決于環境中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和氧的競爭結合作用。它與氧結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和水可逆轉化成碳酸氫鹽。CA總共有5類(ɑ，β，γ，δ 和 ζ)，結構和功能都不同［15］。CA 廣泛分布于植物、動物、真菌、古生菌和細菌中。β類在CO2固定機制中最常見［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濃縮機制。

1.3 CO2固定的分析計算

利用生物碳固定來生產燃料和通用化學品引起了人們廣泛的興趣。Boyle和Morgan［17］做了通量分析，以最大生物質的產量為目標函數，最終確定了生物質合成所需的碳通量和能量。經研究發現，采用不同碳固定途徑生成同種核心代謝產物的成本不同，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品。W-L途徑和rTCA循環是最有效的，其次是DC/4HB循環、3HP/4HB循環、3HP-bicycle，最后是CBB途徑。在其它通量平衡分析中也發現了相同規律。

固碳反應的另一個熱力學分析集中在ATP需要量和電子載體的還原潛力上，對無機碳的形式和濃度，細胞pH值和離子強度的共同作用也進行了分析。不同固碳途徑需要ATP的量不同，大多數情況下，高于所需量的ATP更有利于反應的進行。鐵氧化還原蛋白(E，＜-400 mV)比NAD(P)H(E，=-320 mV)還原能力弱，氧化兩個鐵氧化還原蛋白分子產生的能量與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循環需要2個ATP，而3HP-bi-cycle需要7個ATP。

對單個固碳途徑進行熱力學研究，有助于進一步闡明其限速步驟。實現碳的羧化和羰基還原反應需要額外的能量，因此可以把反應與ATP水解或者其它高能鍵水解進行耦合，還可以與ATP水解之外的其它放能反應進行耦合。

合成途徑不受酶促反應界面的限制，但在新型途徑中使用復合酶可以提高反應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，也叫C4-乙醛酸循環。這些途徑產乙醛酸的速率比CBB途徑快2～3倍，但是比rTCA、DC/4H和3HP/HB循環慢。

2 H2利用

H2可為某些微生物提供能量［19］。多數產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子進行可逆互變。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位的金屬原子［20］。［NiFe］-氫化酶廣泛存在于細菌和古生菌中，［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甲烷古菌中。

電燃料生產宿主R eutropha H16含有3個［NiFe］-氫化酶，其中兩個用于氧化氫氣，另一個用來監測環境中的H2［21］。細胞質中 NAD(P)還原氫化酶(SH)由一個異二聚體氫氣激活模型(Hox-HY)和一個異二聚體NADP脫氫酶模型(HoxFU)組成［22］。HoxH 有［NiFe］位點，HoxY 有鐵硫簇。HoxF和HoxU含有多種鐵硫簇和一個黃素，可以把電子傳給NAD+。SH含有一個1/5亞單位(HoxI)，可減少NAD+。SH產生的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兩個亞基，HoxG是催化亞基，HoxK有三個鐵硫簇。b型細胞色素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進行CO2的固定。

3 宿主的開發

合成生物學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。開發電燃料宿主有兩種基本途徑:利用自然存在的H2自養生物來生產想要的電燃料，或者是選擇合適的異養生物，利用CO2/H2生產電燃料。第二種方法，需要考慮所選宿主遺傳系統的可用性和微生物能否適應生物工藝生產。合成生物學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造生物。利用染色體修復得到的新遺傳系統可以高效表達細胞質氫化酶Ⅰ(SHI)［24］，從而更好地氧化 H2和生產 NADPH。基于已獲得的初步結果，人們還在努力構建電燃料生產宿主。

4 結語

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

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