劉艷輝，周明芳，馬銘，王凱，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）

工業(yè)發(fā)展帶來了經(jīng)濟(jì)效益的同時，伴隨著化石燃料的日益枯竭和CO2的大量排放，加劇了全球氣候變暖[1]。2020年9月我國明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)。降低大氣中CO2濃度主要有兩種方法：一種是從根源上限制CO2排放，目前我國也出臺了“碳稅”這一政策，從源頭上開始進(jìn)行管控；另一種方法則是回收利用CO2生產(chǎn)簡單的化工原料如甲酸、甲烷、乙醇等，甚至可以將CO2轉(zhuǎn)化為C3+的高附加值產(chǎn)品。

目前有多種轉(zhuǎn)化CO2的方法，如電化學(xué)催化[2]、光化學(xué)催化[3]、生物催化[4]以及光、電生物耦合催化法[5?7]等。利用光能或電能通過相關(guān)催化劑轉(zhuǎn)化CO2，具有操作簡便、清潔無污染的優(yōu)點，但也存在還原深度淺、穩(wěn)定性差、多碳產(chǎn)物選擇性較差、還原機(jī)制不明確等問題，同時還需要上游CO2捕集工作[8?9]。生物法催化可以實現(xiàn)碳捕獲與碳轉(zhuǎn)化同時進(jìn)行，與光、電耦合還可以提高碳轉(zhuǎn)化效率，同時保留了生物法催化溫和、高效、高產(chǎn)物選擇性的特點，因此是目前的碳固定轉(zhuǎn)化的研究熱點之一。

光能、可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的電能均可視為可再生能源，能顯著減少溫室氣體排放[10]，另外可再生能源發(fā)電成本在不斷下降[11]，所占的比例也越來越高[12]，故而應(yīng)用可再生能源驅(qū)動生物催化固定CO2具有較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。電催化反應(yīng)利用電能為生物酶催化反應(yīng)提供還原力或為電活性微生物提供電子；光催化反應(yīng)利用光能激發(fā)電子，為生物催化反應(yīng)提供還原力，使得酶分子或微生物能夠持續(xù)固定CO2生產(chǎn)甲酸、甲烷、生物燃料等產(chǎn)品[13?15]。但生物催化與電催化、光催化反應(yīng)耦合存在能量轉(zhuǎn)化效率低，電、光催化速率與生物催化速率之間協(xié)同困難等問題，降低了固碳效率。本文對相關(guān)問題的研究進(jìn)行了總結(jié)，并對未來的研究方向進(jìn)行展望。

1 酶法固定CO2

1.1 常見的碳固定及碳還原酶

1.1.1 常見的碳還原酶

酶法直接還原CO2通常是簡單的加氫反應(yīng)，產(chǎn)物多為簡單的一碳產(chǎn)物如甲烷、甲酸、甲醇以及一氧化碳等[16]。目前直接還原CO2相關(guān)的酶主要有碳酸酐酶（carbonic anhydrase，CA）、一氧化碳脫氫酶（carbon monoxide dehydrogenase，CODH）、固氮酶以及甲酸脫氫酶（formate dehydrogenase，F(xiàn)DH）。表1 總結(jié)了這些酶的體外碳還原反應(yīng)、機(jī)制及優(yōu)缺點。

表1 常見碳還原相關(guān)酶

如何從大氣或者廢氣中高效捕獲收集CO2是影響固定CO2效率的一個重要因素，氣態(tài)形式的CO2對于一些反應(yīng)器來說較難利用，CA 則可以催化CO2水合生成碳酸氫根，方便反應(yīng)器的利用，提高碳固定的效率[25]。嚴(yán)格來說CA 催化的CO2反應(yīng)不是還原反應(yīng)，過程不消耗還原力并且反應(yīng)過程可逆，反應(yīng)方向與底物濃度有關(guān)[16]。

CODH大致分為兩種類型：第一類是存在于需氧羧基營養(yǎng)細(xì)菌中的Mo,Cu?CODH，只催化CO 氧化生成CO2，沒有CO2還原活性；第二類是只存在于厭氧細(xì)菌或古菌中的Ni,Fe?CODH，在[NiFe4S4]活性位點催化CO2向CO 的雙向可逆反應(yīng)[20]。但并不是所有的Ni,Fe?CODH 都具有CO2還原活性，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育和亞單位組成將Ni, Fe?CODH 分為四類，Ⅰ類和Ⅱ類CODH只存在于古菌中且主要存在于產(chǎn)甲烷古菌中；Ⅲ類CODH通常存在于乙酸細(xì)菌中；Ⅳ類CODH 是單功能酶，其功能與Mo, Cu?CODH類似，只氧化CO生成CO2[26]。

固氮菌（Azotobacter vinelandii）中的固氮酶簇包含一種含鐵（Fe）的二聚體還原蛋白，被稱為鐵蛋白，它在體內(nèi)作為電子供體參與催化過程[27]。鐵蛋白被證實是一種還原酶，通過其Fe4S4中心氧化還原的變化將體內(nèi)或體外環(huán)境中的CO2還原為CO[28]，來自產(chǎn)甲烷菌（Methanosarcina acetivorans）的固氮酶也具有相似的固碳機(jī)理[29]。除了CO 外，固氮酶還可以將CO2還原為CH4，如來自沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris）的固氮酶可以將CO2還原生成CH4[30]。Stiebritz 等發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌（Methanosarcina acetivorans）中的鐵蛋白可以把CO2與CO 催化還原為C1（CH4），C2（C2H4，C2H6）和C3（C3H6，C3H8）等碳?xì)浠衔?，并且進(jìn)一步證實了這種還原反應(yīng)是Fe4S4團(tuán)簇所固有的[22]。除含有金屬Fe 外，一些重構(gòu)固氮酶還含金屬Mo、V，均可以催化CO2還原生成CO，通過突變還可以將其產(chǎn)物譜擴(kuò)大到CH4或者催化多碳耦合生成C3H6。含不同金屬的固氮酶在固碳機(jī)制、產(chǎn)物上會有一些差別，Oehlmann等[31]的綜述文章中進(jìn)行了介紹。

FDH 有兩種類型：一種是以NAD(P)+為輔因子，催化HCOOH 生成CO2的游離金屬FDH；另一種是金屬依賴的FDH，它們可逆地將CO2還原為HCOOH[32]。具有逆向催化功能的FDH大多數(shù)發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌、真菌中，揚氏梭菌（Clostridium ljungdahlii）來源的甲酸脫氫酶ClFDH 具有CO2還原活性[33]。有研究者以ClFDH 為參考，通過基因組挖掘發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)乙醇梭菌（C. autoeththanogenum）、克薩氏梭菌（C. coskatii） 和拉氏梭菌（C. ragsdalei） 來源的FDH，并驗證其具有CO2還原活性[34]。此外，硫桿菌（Thiobacillussp.KNK65MA）的TsFDH、脫硫弧菌（Desulfovibrio vulgarisHildenborough）的DvFDH以及假絲酵母（Candida boidini）的CbFDH 等也都是此類具有CO2還原功能的FDH[32]。研究表明，F(xiàn)DH 的CO2還原活性多數(shù)依賴金屬鉬（Mo）或鎢（W）[33,35]。

1.1.2 常見的碳固定酶

除了CO2還原酶外，還有幾種重要的CO2羧化酶參與自然界中的固碳反應(yīng)，且它們主要源于天然的生物固碳途徑。

1,5?二磷酸核酮糖羧化酶（Ribulose 1,5?bisphosphate carboxylase，RuBisCO）是卡爾文循環(huán)（Calvin?Benson?Bassham，CBB）的核心固碳酶，是自然界中固碳量最高的酶，催化CO2與1,5?二磷酸核酮糖（ribulose 1,5?bisphosphate，RuBP）反應(yīng)生成3?磷酸甘油酸（3?phosphoglycerate，3?PGA），同時催化RuBP 與O2反應(yīng)生成3?PGA 和2?磷酸乙醇酸，后者會在光呼吸中代謝消耗掉，造成碳損失[36?37]。因此，增強(qiáng)RuBisCO 的羧化能力是目前的研究熱點，主要研究方法為篩選、定向化改造等[36]。RuBisCo 催化效率低，需要大量合成，其生物合成依賴伴侶蛋白體系，因此在工程菌株中異源表達(dá)RuBisCO 需要相關(guān)伴侶蛋白及輔助因子的表達(dá)[38?39]。乙酰輔酶A 羧化酶和丙酰輔酶A 羧化酶是存在于3?羥基丙酸/4?羥基丁酸循環(huán)的酶，催化CO2固定并以乙酰輔酶A 為底物合成琥珀酸[40?41]。還原性三羧酸循環(huán)主要存在于綠硫菌和厭氧菌中，其中異檸檬酸脫氫酶是重要的CO2羧化酶，催化CO2和α?酮戊二酸合成異檸檬酸，在調(diào)節(jié)胞內(nèi)碳源流動上發(fā)揮著關(guān)鍵作用[42?43]。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是二羧酸/4?羥基丁酸循環(huán)途徑中的固碳酶，催化HCO?3和磷酸烯醇式丙酮酸合成草酰乙酸[41]。

盡管自然界中CO2固定途徑中的羧化酶在碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，但與固碳還原酶相比，羧化酶的低活性和部分羧化酶的厭氧需求是限制其大規(guī)模應(yīng)用的主要因素，其固碳效率還不足以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

1.2 可再生能源耦合酶催化反應(yīng)

固碳酶多為氧化還原酶，在催化反應(yīng)時需要輔助因子NAD(P)H 提供還原力。NAD(P)H 的價格較為昂貴，通過人工補(bǔ)充消耗的NAD(P)H 是不經(jīng)濟(jì)的，因此在生物體外催化固碳時還原力來源是一個關(guān)鍵的科學(xué)問題。目前主流研究方向為可再生能源提供相應(yīng)的還原力。圖1為光、電催化酶耦合反應(yīng)器固定CO2原理。

圖1 光、電催化酶耦合反應(yīng)器固定CO2原理

1.2.1 電化學(xué)與酶催化耦合

電化學(xué)與酶催化耦合即通過將酶固定在電催化反應(yīng)器的陰極室中，利用陽極電化學(xué)反應(yīng)分解水產(chǎn)生的電子使NAD(P)+再生為NAD(P)H，從而為酶催化反應(yīng)提供還原力。在電極溶液中添加NAD+，反應(yīng)器施加電壓反應(yīng)達(dá)到平衡時有超過90%NAD+轉(zhuǎn)換為NADH，游離FDH固定CO2生成甲酸產(chǎn)量達(dá)到25mmol/(L·h)，同樣條件下未施加電壓，NADH 再生率基本為零，也沒有甲酸生成[44]。表2總結(jié)了電化學(xué)耦合酶催化固定CO2的文獻(xiàn)。

表2 不同電酶耦合催化相關(guān)參數(shù)匯總

在電化學(xué)NADH再生過程中，通過改變電極的材質(zhì)與性質(zhì)，使其催化過程中具有不同的催化電位以及NADH的再生率。在電酶耦合催化中，電子傳遞的催化電極，以及傳遞介質(zhì)的性能是其兩個關(guān)鍵因素。根據(jù)電子獲取能力以及材質(zhì)的不同可將電極分為感光電極、金屬電極、非金屬電極等類別。通過不斷優(yōu)化陰極與酶固定化的方式（MOFs 共固定、膜接觸、納米微室共固定等）和對電極液進(jìn)行調(diào)整（如換成天然深共晶溶劑）來不斷提高CO2催化效率。

1.2.2 光化學(xué)與酶催化耦合

光能也是比較廣泛的可再生能源。在光化學(xué)反應(yīng)中，水也是自然光合作用中光反應(yīng)的主要電子供體，但水的氧化還原反應(yīng)難度較高，難以在人工光催化系統(tǒng)中得到應(yīng)用。常見的人工光催化系統(tǒng)的電子供體有三乙醇胺、三乙胺等[54?55]。在電化學(xué)反應(yīng)中，電能可以通過施加外加電壓獲取，而光能的利用還需要光催化劑對光能進(jìn)行捕獲，激發(fā)電子供體產(chǎn)生電子用于NADH 的再生[56]。Woolerton 等[57?58]首次將光催化與CO2的酶促轉(zhuǎn)化相結(jié)合后，石墨烯光催化、金屬有機(jī)框架光催化、納米顆粒光催化與酶催化耦合相繼被報道。表3總結(jié)了光化學(xué)耦合酶催化固定CO2的文獻(xiàn)。

表3 不同光酶耦合催化相關(guān)參數(shù)匯總

在光化學(xué)反應(yīng)中，光催化劑是比較重要的因素。光催化劑吸收特定波長光子激發(fā)電子，電子傳遞介質(zhì)將電子遞送至NAD(P)+而實現(xiàn)NAD(P)H 的再生，并用于酶催化CO2轉(zhuǎn)化。光催化劑種類與附著基質(zhì)可影響其性能。具有合適帶隙寬度的半導(dǎo)體材料如金屬氧化物TiO2、金屬硫化物CdS，石墨氮化碳等參入碳、硼、鉑等雜元素進(jìn)行改性，得到的光催化劑再與銠基復(fù)合物結(jié)合提升其性能。不斷地增強(qiáng)其感光性能、增大其感光面積，優(yōu)化基質(zhì)材料（納米管、石墨烯等新基質(zhì)），大大提高了光催化劑的性能。

1.2.3 多酶級聯(lián)反應(yīng)

多酶級聯(lián)反應(yīng)是一種將CO2固定生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的一個有效手段。FDH、甲醛脫氫酶（FaldDH）與乙醇脫氫酶（ADH）級聯(lián)反應(yīng)生成甲醇是多酶級聯(lián)固定CO2的研究熱點。首先FDH將CO2還原生成HCOOH， 接 著FaldDH 將HCOOH 還 原 生 成HCHO，最后再由ADH還原生成CH3OH[13]，這三個過程均需要消耗輔助因子NADH 且均為可逆反應(yīng)，因此如何提高NADH再生、控制反應(yīng)的方向是研究重點。Stefanie Schlager 等[67]以碳?xì)肿鳛殡姌O材料，利用海藻酸鹽?硅酸鹽雜化凝膠基質(zhì)將上述三種酶固定在電極上，電解條件下產(chǎn)生0.15mg/kg 甲醇，法拉第效率約為10%。Yadav 等[59]通過在石墨烯基光催化劑基礎(chǔ)上順序偶聯(lián)了這三種酶，在可見光催化下，將CO2轉(zhuǎn)化成了甲醇。得到的甲醇產(chǎn)物還可以通過再次酶聯(lián)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為乙二醇、乙醇酸和赤蘚糖等多碳鏈化合物[68]。Miller 等[69]將光驅(qū)動與CETCH（巴豆酰輔酶A/乙基丙二酰輔酶A/羥基丁酰輔酶A）循環(huán)途徑相結(jié)合，實現(xiàn)了將CO2轉(zhuǎn)化為乙酸的功能，體外通過光耦合酶級聯(lián)反應(yīng)模仿了“葉綠體”的功能。

1.3 提高可再生能源耦合酶催化反應(yīng)效率的手段

可再生能源耦合酶催化反應(yīng)效率主要受到酶活性及電子介質(zhì)的影響。酶在體外反應(yīng)時其活性與穩(wěn)定性會受到反應(yīng)環(huán)境溫度、pH 等因素的影響，從而引起催化效率降低，特別是在使用氧敏感性CO2還原酶的情況下，如何防止反應(yīng)系統(tǒng)中的氧化活性物質(zhì)影響酶的穩(wěn)定性與活性是一個重要問題?？稍偕茉醇ぐl(fā)電子生成，電子在傳遞過程中會不可避免的損失，同時NADH 的再生速率也會有所降低，選擇和合理設(shè)計電子介質(zhì)可以提高電子傳遞效率同時減少電子損失。

1.3.1 提高酶的穩(wěn)定性——酶的固定化

可再生能源耦合酶催化固定CO2過程中，在電化學(xué)或光化學(xué)體系里，酶的活性或穩(wěn)定性顯得尤為重要，而酶的固定化是一個保持酶活的有效手段。與游離酶相比，將酶包裹于多孔材料之中構(gòu)建生物陰極使得酶pH 穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及催化效率大大提高，Chen 等[44]將CbFDH 固定于多孔材料金屬有機(jī)骨架NU?1006 中得到復(fù)合酶，測得復(fù)合酶在pH4?7的范圍均有較高活性，NADH轉(zhuǎn)化效率大約是游離FDH 的三倍，甲酸產(chǎn)量也是游離FDH 的三倍以上。同樣地，將CbFDH 固定在納米碳中，限制在納米多孔碳中的酶保留更多的酶活性，甲酸的產(chǎn)率也更高[70]。在金屬有機(jī)骨架NU?1006中固定化FDH，實現(xiàn)了光催化下二氧化碳的固定[71]。余森申等[6]將光催化石墨化氮化碳（g?C3N4）與CA和FDH結(jié)合在一起，包裹在多孔金屬有機(jī)框架ZIF?8 中，在可見光照射下實現(xiàn)了NADH的高效原位再生，同時降低了對酶活性的損傷。將FDH 固定在具有親疏水界面的載體纖維素膜的疏水層上，構(gòu)建CO2（氣體）、H2O（液體）和固定化酶（固體）高效三相接觸來進(jìn)行酶催化，甲酸產(chǎn)量提高9.5mmol/L[72]。對CA 進(jìn)行固定化可以增強(qiáng)其對CO2的吸附轉(zhuǎn)化能力，近日Rasouli 等[73]報道了一種利用磁性納米顆粒的膜結(jié)合共固定法對人碳酸酐酶進(jìn)行固定化，并對其吸收轉(zhuǎn)化能力進(jìn)行了表征。

1.3.2 降低酶氧敏感性的影響

電化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生氧化活性物質(zhì)如O2，可損害氧敏感性酶如CODH[20]。因此如何避免反應(yīng)過程中氧化活性物質(zhì)導(dǎo)致CODH失活是利用CODH固定CO2的一個難題。氧化還原水凝膠對O2具有還原催化活性，在水凝膠中嵌入酶并沉積在電極上形成薄膜，固定在薄膜內(nèi)的酶可免受O2的影響[74]。Zhang 等[19]將CODH、聚甲基丙烯酸穩(wěn)定的銀納米簇（AgNCs?PMAA）和TiO2納米顆粒組合構(gòu)建了一個水膠體體系，催化CO2在可見光驅(qū)動下轉(zhuǎn)換為CO，CODH穩(wěn)定性也有所提高。

1.3.3 電子介質(zhì)的影響

NAD2二聚物的生成導(dǎo)致NADH 的損失進(jìn)而影響固碳效率，氧化還原介質(zhì)作為氫化物轉(zhuǎn)移劑可以抑制NAD2的生成，常見的氧化還原介質(zhì)包括鈦（Ti）、銠（Rh）、鎳（Ni）和鉑（Pt）等過渡金屬的絡(luò)合物。其中Rh絡(luò)合物是最常用的電子介質(zhì)[75]，在石墨烯基上加入該物質(zhì)作為電子媒介構(gòu)建高效的石墨烯基可見光活性生物耦合催化系統(tǒng)，NADH再生率提高50%[76]。但Rh 價格較為昂貴，因此在未來的研究中可以對介質(zhì)來源進(jìn)行大范圍的篩選及創(chuàng)新，以望可大幅度降低酶催化的成本，加速酶催化轉(zhuǎn)化CO2逐步走向工業(yè)化。

光驅(qū)動NADH再生最大的問題之一是光催化劑表面轉(zhuǎn)移的電子利用率低，NADH再生速率低，遠(yuǎn)低于酶促再生速率[77]。光誘導(dǎo)的電子大多數(shù)從非均相半導(dǎo)體粒子轉(zhuǎn)移到均相電子、質(zhì)子介質(zhì)，這一步會造成電子轉(zhuǎn)移損失。將電子介質(zhì)錨定在骨架材料上，提高光催化劑表面積與電子介質(zhì)中心的接觸率是一種提高電子利用率的手段。如將Rh 復(fù)合物（電子介質(zhì)Rh 與光催化劑MIL?125?NH2復(fù)合）錨定在MOF 上，光催化結(jié)果表明電子轉(zhuǎn)移效率有明顯提高[72]。將Rh 復(fù)合物[Cp*Rh(bpy)H2O]2+錨定在單寧酸/聚乙烯亞胺（TA/PEI）膠層介導(dǎo)的聚合氮化碳（PCN）上，在可見光照射下，電子利用效率比PCN提高了1.3倍[78]。

2 微生物固定CO2

2.1 微生物電合成固定CO2

2.1.1 微生物電合成固碳原理

微生物電合成（microbial electrosynthesis，MES）是一種潛在的可持續(xù)生物電化學(xué)過程，在此過程中電力為微生物提供還原力與能量，可在環(huán)境溫度和壓力下將可再生電能轉(zhuǎn)化為易于儲存的化學(xué)品[79]。MES原理如圖2所示，陽極進(jìn)行氧化反應(yīng)，產(chǎn)生電子、質(zhì)子和氧化活性物質(zhì)如氧氣、過氧化氫；陰極微生物接收電子通常利用卡爾文循環(huán)或Wood?Ljungdahl途徑固定CO2[80?81]。

圖2 微生物電合成系統(tǒng)固定CO2

電子從陽極轉(zhuǎn)移到陰極微生物的過程在微生物電合成固碳中至關(guān)重要。轉(zhuǎn)移機(jī)制主要有三種，分別為直接電子轉(zhuǎn)移（DET）、介導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（MET）以及間接電子轉(zhuǎn)移（IET）[71]。直接電子轉(zhuǎn)移即微生物與電極直接接觸，通過細(xì)胞表面電子轉(zhuǎn)移蛋白直接利用電子，目前已經(jīng)確定了孔蛋白細(xì)胞色素復(fù)合物、細(xì)胞表面細(xì)胞色素、導(dǎo)電納米線和其他氧化還原蛋白如銅和鐵硫蛋白負(fù)責(zé)電極和細(xì)胞表面之間的電子轉(zhuǎn)移[71,80]。介導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移即利用電活性分子在微生物和電極之間介導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移，甲基紫精（MV）、蒽醌?2,6?二磺酸酯（AQDS）和有機(jī)染料中性紅（NR）是常用的人工電活性分子，且介導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移還可以使NAD(P)H再生[82]。間接電子轉(zhuǎn)移通常是借助H2的轉(zhuǎn)移，當(dāng)陰極負(fù)電位足夠低時，電子和H+生成H2，從而被某些可以直接利用H2的微生物利用，如產(chǎn)甲烷菌[83]。

許多電活性菌株（如產(chǎn)甲烷菌、甲基桿菌、產(chǎn)乙酸菌等[84]）能夠耐受低電壓，也可以導(dǎo)電并利用電子作為能源，可以從環(huán)境中直接分離出來，用于構(gòu)建MES 生產(chǎn)簡單的一碳產(chǎn)物如甲酸、甲烷、甲醇。Florian Mayer 等[83]從海上油田和產(chǎn)甲烷沼氣池中分離出不同的產(chǎn)甲烷菌構(gòu)建MES，多種菌株具有電活性，產(chǎn)物為甲烷，其電子轉(zhuǎn)移機(jī)制為間接電子轉(zhuǎn)移與直接電子轉(zhuǎn)移同時存在。Jungho Jang等[85]利用甲基桿菌AM1 （Methylobacterium extorquens,AM1）作為全細(xì)胞生物催化劑，通過基因重組與鎢酸鹽的添加提高其FDH 的表達(dá)水平，以甲基紫精作為人工電子介質(zhì)，CO2為碳源，在MES中甲酸鹽產(chǎn)量達(dá)到2.53mmol/(L·h·g)細(xì)胞重量，是野生型菌株的2.5 倍。表4 總結(jié)了不同微生物電合成發(fā)酵固定CO2的文獻(xiàn)。不同的培養(yǎng)菌株，陰極材料以及所加的電位大小、環(huán)境pH、電子傳遞介質(zhì)等都會對MES 系統(tǒng)造成影響。對單菌純培養(yǎng)與多菌混合培養(yǎng)的電傳遞機(jī)理的深入研究也能極大幫助人們提高M(jìn)ES的電傳與底物轉(zhuǎn)化效率。

表4 不同微生物電合成發(fā)酵利用CO2相關(guān)參數(shù)匯總

2.1.2 提高M(jìn)ES固碳能力的手段

隨著相關(guān)研究的推進(jìn)，CO2固定獲得簡單的C1、C2產(chǎn)物已不是難題，而若要滿足大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的需求，獲得更好的市場，則需要構(gòu)建可持續(xù)的、穩(wěn)定高效的固碳系統(tǒng)，得到碳鏈更長、附加值更高的固碳產(chǎn)物。

2.1.2.1 MES固碳效率及穩(wěn)定性的提高

（1）提高電子轉(zhuǎn)移率。電流密度低、電子轉(zhuǎn)移率低是MES 的一個缺陷，微生物催化劑和陰極之間的相互作用是MES 的核心組成部分。電子轉(zhuǎn)移效率主要受到兩個界面的影響：一個是電極界面，微生物與電極表面附著緊密，但直接電子轉(zhuǎn)移只能發(fā)生在靠近電極界面的一層或幾層微生物；另一個界面是微生物界面，涉及微生物菌群、生物膜基質(zhì)、代謝物、信號分子交換等因素[104]。目前已經(jīng)有多種材料被用于研究提高電子轉(zhuǎn)移效率，如具有層次化結(jié)構(gòu)的納米材料，其多孔結(jié)構(gòu)和大表面積為生物膜提供了適當(dāng)?shù)目臻g，使電極與微生物緊密接觸[105]，將高導(dǎo)電性聚合物聚吡咯（PPy）原位包覆在細(xì)菌表面，并將包覆后的細(xì)菌接種在MES 的陰極上形成微生物包膜，乙酸產(chǎn)量和法拉第效率提高了3～6 倍[106]。以鍍鎳鉬為材料3D 打印生物陰極，使得陰極比表面積更大，即使在低電流密度下也能實現(xiàn)高庫侖效率，同時還可以減少氣泡的生成[107]。Tan等[108]系統(tǒng)地概括了電催化的關(guān)鍵因素，包括電極、電催化劑、電解液配置等，這些因素都影響電子轉(zhuǎn)移速率。

（2）減少系統(tǒng)產(chǎn)生氧化活性物質(zhì)對微生物的影響。產(chǎn)生對菌體有害的氧化活性物質(zhì)是MES 的一個缺陷，從產(chǎn)物選擇方面進(jìn)行設(shè)計是一種較好的解決思路，如改造菌株使其生產(chǎn)強(qiáng)抗氧化性產(chǎn)物或中間體，利用自身代謝降低氧化活性物質(zhì)的損害[91]；也可以通過自適應(yīng)實驗室進(jìn)化來篩選耐氧性高的菌株突變體[109]。此外，在反應(yīng)體系中加入抗氧化活性的物質(zhì)也是一種有效的方式，如植物中的多酚物質(zhì)（如黃酮類、蒽醌類等）[110]。Li 等[111]通過添加大黃提取的蒽醌物質(zhì)改善生物電化學(xué)系統(tǒng)中的電子傳遞與生物解毒作用，增強(qiáng)了微生物活性。

（3）利用微生物群落的穩(wěn)定性。微生物群落具有穩(wěn)定性更高的特征，同時可利用菌群之間的相互作用，如物種間直接電子轉(zhuǎn)移或互養(yǎng)作用可以有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和產(chǎn)品產(chǎn)量，利于CO2的固定。另外由微生物群落組成的MES 可以在開放式系統(tǒng)中進(jìn)行，避免了高成本、高難度的無菌操作。例如，利用啤酒廠廢水中微生物群體耐受性來生產(chǎn)短鏈醇、酸，通過降低陰極電解質(zhì)的pH 來篩選微生物組，系統(tǒng)持續(xù)運行150天，且乙酸產(chǎn)量得到明顯提高[112]。在相同的實驗裝置中比較產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)乙酸菌的純培養(yǎng)和混合培養(yǎng)的甲烷產(chǎn)量，混合培養(yǎng)的甲烷產(chǎn)量提高3倍，乙酸產(chǎn)量提高近2倍[113]，進(jìn)一步證實了微生物群落電合成固定CO2的積極影響。

2.1.2.2 基因工程提高產(chǎn)物附加值

利用基因工程手段對固碳途徑進(jìn)行改造或優(yōu)化，可以使微生物合成碳鏈更長、附加值更高的產(chǎn)品，如萜烯、抗氧化劑等。富養(yǎng)羅爾斯通氏菌（Cupriavidus necator）可從H2中獲取能量，從CO2中獲取碳，可將大部分供給的CO2固定到生物質(zhì)中[114]。通過對該菌株的代謝通路改造后，在MES中實現(xiàn)了自養(yǎng)生長并獲得C3+化合物產(chǎn)品，如α?葎草烯[92]、番茄紅素[91]、蔗糖、多羥基烷酸酯（PHA）和低聚糖（LCO）[115]。在大腸桿菌中構(gòu)建甘氨酸與絲氨酸循環(huán)，并將電催化與生物系統(tǒng)集成耦合CO2轉(zhuǎn)化，利用甲酸與CO2參與循環(huán)生成丙酮酸[88]。在枯草芽孢桿菌中，利用定向進(jìn)化技術(shù)篩選到突變的丙酰輔酶A 羧化酶（PCC），活性提高了94倍。該酶可用于構(gòu)建新的琥珀酸生物合成途徑，通過固定兩分子CO2從乙酰輔酶A 生產(chǎn)琥珀酸[116]。對于缺乏改造工具的CO2固定優(yōu)勢菌株如乙酰桿菌，開發(fā)新的基因工程工具對其進(jìn)行代謝途徑改造，可以進(jìn)一步提高其碳固定率[117?118]。

2.2 微生物光催化固定CO2

2.2.1 天然光合作用固定CO2

天然光合作用包括光反應(yīng)和暗反應(yīng)階段，在光反應(yīng)中，光能將水分解成質(zhì)子、電子和氧氣，進(jìn)而合成NADPH 和ATP 以支持生物體的代謝需求。在暗反應(yīng)中，生物體利用NADPH 和ATP，通過卡爾文循環(huán)將CO2還原為碳水化合物[119]。

微藻是能夠進(jìn)行光合作用并且以CO2為唯一碳源實現(xiàn)自養(yǎng)的微生物，貢獻(xiàn)了全球范圍內(nèi)50%以上的生物固碳量，具有光能利用率高、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢[120]。目前微藻被廣泛研究用于生產(chǎn)生物燃料如丁醇[121]、脂肪酸[122]、生物柴油[123]等，還可以生產(chǎn)抗氧化劑葉黃素[124]。對于如何提高微藻光合作用的能力，王松等[125]在其綜述中進(jìn)行了較為全面的總結(jié)，包括捕光天線的改造、相關(guān)酶的優(yōu)化等。

2.2.2 人工光合作用固定CO2

人工光合作用以天然光合作用為模板，在光反應(yīng)階段需要光催化劑進(jìn)行光能的捕獲與電子的激發(fā)以產(chǎn)生還原當(dāng)量，在暗反應(yīng)階段需要卡爾文循環(huán)或者其他固碳途徑，即需要固碳生物還原CO2[15]。表5 總結(jié)了人工光合作用固定CO2的光催化劑和固碳微生物。

表5 人工光合作用的催化劑與固碳微生物總結(jié)

光催化劑吸收和捕獲光能產(chǎn)生電子?空穴對，電子或被細(xì)胞蛋白攝取，或用于還原質(zhì)子生成H2被菌體間接利用[136]。接收電子或H2后，大多數(shù)可以自養(yǎng)生長的光敏細(xì)菌通過卡爾文循環(huán)[133]或者Wood?Ljungdahl 途徑[135]還原CO2；對于異養(yǎng)微生物，需要構(gòu)建異源途徑實現(xiàn)CO2固定，如Hu等[5]在大腸桿菌中構(gòu)建了half?Wood?Ljungdahl?formolase途徑（HWLS），在細(xì)胞膜上成功表達(dá)外源金屬蛋白PbrR 及CdS 納米粒子的自組裝，實現(xiàn)光能驅(qū)動大腸桿菌固定CO2同時提高了L?蘋果酸和丁酸的產(chǎn)量。光催化劑產(chǎn)生的電子被細(xì)胞利用，而空穴會造成細(xì)胞毒性和氧化環(huán)境，因此采用合適的犧牲劑十分重要，典型的犧牲劑有半胱氨酸、抗壞血酸和HEPES等[136]。

人工光合作用常見的光催化劑為無機(jī)催化劑，如CdS[128]、AuNCs[132]、InP[137]、g?C3N4[133]等，其 中CdS為典型的光催化劑材料，但其吸收光譜為紫外區(qū)域，對人類及環(huán)境有害；InP、g?C3N4催化劑的吸收光譜為可見光，可獲得更高的光強(qiáng)[136]。有機(jī)光催化劑有更好的生物相容性，Gai 等[135]以有機(jī)半導(dǎo)體苝二酰亞胺衍生物（perylene diimide derivative，PDI）和聚芴?聯(lián)苯（fluorene?co?phenylene，PFP）作為光敏劑包覆在細(xì)菌熱醋穆爾氏菌（Moorella thermoacetica）表面，乙酸產(chǎn)量與無機(jī)生物雜交種系統(tǒng)相當(dāng)，生物相容性更好。而Huang等[130]將沼澤紅假單胞菌與巴氏甲烷八疊球菌（Methanosarcina barkeri）共培養(yǎng)，沼澤紅假單胞菌作為生物光催化劑利用硫代硫酸鈉作為電子供體進(jìn)行無氧光合作用，并在細(xì)胞外將電子轉(zhuǎn)移到巴氏甲烷八疊球菌以驅(qū)動甲烷生成，產(chǎn)量略高于典型半導(dǎo)體?生物雜交體系，且不存在生物毒性與相容性問題。

除了光催化劑與微生物直接雜交構(gòu)成的人工光合作用系統(tǒng)之外，還可以將導(dǎo)電材料與微生物耦合，再與光伏設(shè)備結(jié)合構(gòu)成光化學(xué)電池還原CO2，且光化學(xué)電池較光催化劑與微生物直接耦合而言穩(wěn)定性更高，可持續(xù)生產(chǎn)能力也更強(qiáng)。Su 等[138]將硅納米線與卵形鼠孢菌（Sporomusa ovata）雜交，使細(xì)菌在緊密排列的納米線陣列中與光伏設(shè)備相結(jié)合，在一周內(nèi)可以穩(wěn)定生產(chǎn)乙酸，并且可以優(yōu)化電解液pH 提高生物相容性。Cestellos?Blanco 等[139]將卵形鼠孢菌和沼澤紅假單胞菌共培養(yǎng)在高表面積硅納米線陰極，由光伏器件驅(qū)動的太陽能?化學(xué)完全轉(zhuǎn)換，得到了醋酸和含氮化合物，協(xié)同培養(yǎng)形成了菌群系統(tǒng)，培養(yǎng)時間超過1個月。

3 可再生能源耦合生物催化固定CO2的優(yōu)缺點總結(jié)

可再生能源耦合生物催化固定CO2具有溫和、選擇性高的優(yōu)點，但酶在體外壞境的穩(wěn)定性、活性等會受到許多環(huán)境因素的影響，且許多固碳酶是氧敏感性的，因此酶需要經(jīng)過修飾才能大規(guī)模使用。而對于微生物而言，許多野生型固碳微生物或經(jīng)基因工程改造的固碳微生物不具有氧敏感性，且微生群落也有一定的穩(wěn)定性，并且對代謝途徑進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化還可以合成附加值更高的產(chǎn)物，因此可再生能源耦合微生物固定CO2的穩(wěn)定性相對較好，產(chǎn)品轉(zhuǎn)化能力更強(qiáng)。但較操作條件而言，酶法固定CO2不需要嚴(yán)格的無菌環(huán)境，而在微生物固碳系統(tǒng)中，雜菌可能會競爭固碳菌的資源，影響固碳效率，因此無菌環(huán)境尤為重要。不管是酶法固定CO2還是微生物固定CO2，與可再生能源驅(qū)動輔助因子再生耦合時都存在協(xié)同性較差的問題，如何提高協(xié)同效率需要進(jìn)一步研究。

傳統(tǒng)的輔助因子再生策略有酶再生、化學(xué)再生等。酶再生是工業(yè)上唯一使用的輔助因子再生方法，能耗低且與目標(biāo)生物轉(zhuǎn)化具有良好的相容性，但酶的成本高、不穩(wěn)定，且容易生成副產(chǎn)物?；瘜W(xué)再生即利用鹽或輔助因子類似物的高氧化還原電位將NAD（P）+還原為NAD（P）H，但高濃度的鹽會導(dǎo)致酶失活[140]?？稍偕饽堋㈦娔茯?qū)動輔助因子再生具有可持續(xù)、可再生、清潔、成本低等優(yōu)勢，通過選擇和優(yōu)化電極材料、光捕獲材料等提高輔助因子的再生效率，如果能進(jìn)一步提高與生物催化劑之間的協(xié)同效率，那么可再生能源驅(qū)動輔助因子再生耦合生物法固定CO2將會有很大的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

日益增加的碳排放帶來了各種資源與環(huán)境問題，使得碳減排、捕獲與回收利用等成為了目前的研究熱點。尤其是利用可再生能源驅(qū)動的生物催化固定CO2更是廣受關(guān)注，但仍具有諸多瓶頸與挑戰(zhàn)。

首先，對于原料來源，大氣中的CO2濃度雖然在快速提升[141]，但這對于通過微生物與酶催化轉(zhuǎn)化來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此大力發(fā)展碳捕獲技術(shù)是關(guān)鍵之一。針對這一問題，耦合體系將發(fā)揮重要的作用，如發(fā)展新型耦合材料進(jìn)行原位碳捕獲，形成原位碳捕獲與碳轉(zhuǎn)化體系；提升材料催化特異性，如特異性催化CO2與HCO?3（可由CA 酶轉(zhuǎn)化CO2所得）；開發(fā)廉價催化劑轉(zhuǎn)化CO2制備甲酸、甲醇、乙酸、乙醇等C1、C2產(chǎn)物便于下游轉(zhuǎn)化。

其次，對于固碳酶，目前發(fā)現(xiàn)的具有固碳功能的酶分子大多具有以下特征：催化效率低[142]，特異性差[1]，能量需求大[143]。所以得到高效的固碳酶是生物催化固定CO2的關(guān)鍵點和難點。具體可以考慮如下技術(shù)手段來改進(jìn)酶的性能：①隨著技術(shù)方法的快速發(fā)展，如Alphafold 相關(guān)技術(shù)的誕生，固碳酶分子的理性與半理性設(shè)計備受研究人員青睞，但仍需繼續(xù)關(guān)注對非理性技術(shù)方法的應(yīng)用；②非常規(guī)條件下新菌種的探索與固碳分子機(jī)制的研究，這一方面國內(nèi)的李寅教授團(tuán)隊通過對不同物種的RuBisCO酶進(jìn)行篩選，得到了高效的固碳酶分子并進(jìn)行了相關(guān)的應(yīng)用[144?145]，有研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)菌（Hippea maritima）可在富含CO2的環(huán)境下高效生長，通過對機(jī)理的剖析，發(fā)現(xiàn)了新的固碳酶分子[146]；③人工固碳酶的開發(fā)，隨著不同固碳酶機(jī)理的深入探索與研究和分子技術(shù)的不斷發(fā)展，本文作者思考可結(jié)合各個固碳酶的分子機(jī)制研發(fā)出一種全新的人工固碳酶來實現(xiàn)高效的CO2轉(zhuǎn)化，這可能將是未來探索研究的重要方向之一。

最后，對于可再生能源驅(qū)動的耦合固碳這類跨學(xué)科研究體系，也有諸多挑戰(zhàn)值得思考。在光能利用方面，新材料的開發(fā)十分重要，目前關(guān)注度較高的為硫化鎘（CdS）[147?148]與磷化銦（InP）[149]；在光反應(yīng)過程中，光子經(jīng)材料激發(fā)電子，隨之會產(chǎn)生空穴，那么犧牲劑的選擇也至關(guān)重要，研究開發(fā)新型高效、廉價犧牲劑也是光催化的重要一環(huán)；在輔因子再生過程中，需要添加貴金屬催化劑從而輔助輔因子的正確再生，這將提升整體催化過程中的成本，開發(fā)新型材料從而減少或不添加輔助催化劑完成一鍋法催化轉(zhuǎn)化CO2將是推進(jìn)光催化耦合體系邁向應(yīng)用的重要研究方向。近期，Nielsen教授團(tuán)隊[108]在電能耦合體系相關(guān)方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的總結(jié)。

總之，在可再生能源驅(qū)動的生物催化固定CO2領(lǐng)域，仍有諸多難點需要研究人員不斷地深入探索與研究，在此也呼吁各相關(guān)領(lǐng)域的專家為此開展跨學(xué)科研究，發(fā)揮跨學(xué)科優(yōu)勢，助力實現(xiàn)碳中和甚至負(fù)碳排的綠色生物制造。