二氧化碳和氢气转化为液体燃料的研究进展

冀 雪

(青岛科技大学化工学院，山东青岛 266042)

利用光合作用有机体生产生物燃料存在一些限制因素，阻碍了可再生液体燃料工业的发展。有些有机体能直接利用CO2和电解水制得的H2生产高能量液体燃料——“电燃料”［1］。发展电燃料生产微生物可使本地CO2固定物种或自养生物更方便快捷地生产目标燃料，使异养方式占主体的有机体变为自养生物。氢气、甲酸、一氧化碳可以促进电燃料的生产。

1 CO2的固定

1.1 CO2固定途径

CO2固定有三种方法:物理法、化学法和生物法［2］，大多数的物理和化学方法最终必须依赖生物法。进行CO2固定的生物主要是植物和自养微生物。自养微生物一般有两类［3］:光能自养型和化能自养型。前者主要包括微藻类和光合细菌，它们都含有叶绿素，以光为能源，CO2为碳源合成菌体物质或代谢产物;后者以 CO2为碳源，H2、H2S、S2O、NH4+、NO3+、Fe2+等为能源。

最普遍的CO2固定途径是卡尔文循环(CBB)［4］，主要包括三个步骤:固定期、还原期、再生期。CO2受体5-磷酸核酮糖转化为3-磷酸甘油酸是CO2的固定反应，3-磷酸甘油醛转化为5-磷酸核酮糖是CO2受体的再生反应。CBB循环中的关键酶是1，5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)和5-磷酸核酮糖激酶。从植物、藻类、蓝藻细菌、紫细菌，罗尔斯通式菌中都发现了CBB循环。罗尔斯通式菌是兼性厌氧菌，它可以与原位电化学产生的氢结合生产不同的分子，并且能在糖、脂肪酸、氨基酸、三酰基甘油酯甚至是富含H2/CO2的环境中生长［5］，还可以把多余碳转化为聚羟基脂肪酸酯(PHAs)［6］。

厌氧微生物固定CO2主要利用还原性三羧酸循环(rTCA)和 Wood-Ljungdahl(W-L)途径［7］。绿硫细菌和一些硫酸盐还原菌采用rTCA循环，每进行一次循环，就有4分子CO2被固定。W-L途径仅存在于厌氧产乙酸菌和产甲烷的古生菌中［8］。产乙酸菌能在H2/CO2环境中生长并产生气体和乙酸盐，有些菌种也可自身合成乙醇、丁酸盐、丁醇和2，3-丁二醇［9］。这些有机体都可以作为电燃料生产宿主，已经在Clostridium Ljungdahlii中生产出了丁醇［10］。目前有人正在研究产乙酸菌能否直接在石墨阴极生长和接受电子，进而生产电燃料［11］。

固定CO2的生物途径还有生成3-羟基丙酸甲酯(3-HP)，二羧酸酯(DC)和4-羟基丁酸酯(4-HB)。在3-HP循环中，NADPH作为电子供体，3-HP作为中间体。3-HP途径只存在于绿屈挠菌属深分支的少数菌株以及不属于古生菌深分支的硫化叶菌目少数成员中［12］，这种有限分布表明该途径不适合燃料固碳。

总之，微生物固定CO2的机理很复杂，不只以上三种。不同CO2固定途径的本质区别在于酶的耐受性和氧的氧化还原载体分子。CBB循环，3-HP/4-HB循环(单酶4-羟基丁酰COA除外)都是耐氧的。rTCA循环、W-L途径、DC/4-HB循环都可存在于厌氧微生物中，这些途径中对氧敏感的还原性铁氧化还原蛋白可作为电子载体。好氧微生物生长需要O2，大规模生产电燃料需要H2做反应底物，因此为了减小好氧菌作宿主生产电燃料所带来的风险，可以把氢气和氧气分开来设计反应器［13］，但是用厌氧菌则可以完全避免这些问题。

1.2 CO2的捕集

由CO2制备燃料和其它有机化学产品必须依赖生物固碳作用，而这取决于环境中CO2的浓度，因此可以通过CO2捕集来获得大量的碳。CBB通道中Rubisco本身具有固定 CO2和加氧两种作用［14］，因此它的活性中心受CO2和氧的竞争结合作用。它与氧结合可引起光呼吸作用，在此过程中没有ATP和NADPH的形成，没有碳的净积累，只是单纯的消耗能量，因此CBB并非碳固定的最佳途径。

碳酸酐酶(CA)在CO2浓缩中非常重要，它催化CO2和水可逆转化成碳酸氢盐。CA总共有5类(ɑ，β，γ，δ 和 ζ)，结构和功能都不同［15］。CA 广泛分布于植物、动物、真菌、古生菌和细菌中。β类在CO2固定机制中最常见［16］。CA的催化活性主要依赖于金属辅因子锌。ɑ，β，γ类CA的催化效率都很高。目前还不清楚宿主中CA的含量是否会影响异种途径中CO2的利用率。一些潜在的宿主微生物中还可能存在非典型CO2浓缩机制。

1.3 CO2固定的分析计算

利用生物碳固定来生产燃料和通用化学品引起了人们广泛的兴趣。Boyle和Morgan［17］做了通量分析，以最大生物质的产量为目标函数，最终确定了生物质合成所需的碳通量和能量。经研究发现，采用不同碳固定途径生成同种核心代谢产物的成本不同，这就表明某种途径可以更有效地利用单一前体生成指定的产品。W-L途径和rTCA循环是最有效的，其次是DC/4HB循环、3HP/4HB循环、3HP-bicycle，最后是CBB途径。在其它通量平衡分析中也发现了相同规律。

固碳反应的另一个热力学分析集中在ATP需要量和电子载体的还原潜力上，对无机碳的形式和浓度，细胞pH值和离子强度的共同作用也进行了分析。不同固碳途径需要ATP的量不同，大多数情况下，高于所需量的ATP更有利于反应的进行。铁氧化还原蛋白(E，＜-400 mV)比NAD(P)H(E，=-320 mV)还原能力弱，氧化两个铁氧化还原蛋白分子产生的能量与ATP水解(＞50 kJ/mol)释放的能量不相等［18］。不同丙酮酸合成途径需要的ATP量不同，rTCA循环需要2个ATP，而3HP-bi-cycle需要7个ATP。

对单个固碳途径进行热力学研究，有助于进一步阐明其限速步骤。实现碳的羧化和羰基还原反应需要额外的能量，因此可以把反应与ATP水解或者其它高能键水解进行耦合，还可以与ATP水解之外的其它放能反应进行耦合。

合成途径不受酶促反应界面的限制，但在新型途径中使用复合酶可以提高反应效率或者减少能量成本。一些合成途径可利用磷酸烯醇式丙酮酸羧酸酶和C4循环，也叫C4-乙醛酸循环。这些途径产乙醛酸的速率比CBB途径快2～3倍，但是比rTCA、DC/4H和3HP/HB循环慢。

2 H2利用

H2可为某些微生物提供能量［19］。多数产甲烷菌都能用氢作电子供体来合成甲烷。氢化酶可激活H2并催化分子氢和电子载体中的质子进行可逆互变。常用的氢化酶有［NiFe］-氢化酶，［FeFe］-氢化酶和［Fe］-氢化酶，起催化作用的是处于活性价位的金属原子［20］。［NiFe］-氢化酶广泛存在于细菌和古生菌中，［FeFe］-氢化酶存在于厌氧菌和厌氧真核生物中，［Fe］-氢化酶只存在于特定的产甲烷古菌中。

电燃料生产宿主R eutropha H16含有3个［NiFe］-氢化酶，其中两个用于氧化氢气，另一个用来监测环境中的H2［21］。细胞质中 NAD(P)还原氢化酶(SH)由一个异二聚体氢气激活模型(Hox-HY)和一个异二聚体NADP脱氢酶模型(HoxFU)组成［22］。HoxH 有［NiFe］位点，HoxY 有铁硫簇。HoxF和HoxU含有多种铁硫簇和一个黄素，可以把电子传给NAD+。SH含有一个1/5亚单位(HoxI)，可减少NAD+。SH产生的NADH和NADPH主要用于生物合成。R Eutropha中活化H2的另一种氢化酶是异二聚体膜连接［NiFe］-氢化酶(MBH)［23］，它被固定在细胞膜上，能氧化 H2并且把电子供给有氧呼吸链中的醌。MBH有HoxG和HoxK两个亚基，HoxG是催化亚基，HoxK有三个铁硫簇。b型细胞色素HoxZ是呼吸链的一部分，它可以把MBH和醌连接起来。因此，无论以何种方式，R Eutropha都能够有效地利用H2进行CO2的固定。

3 宿主的开发

合成生物学和代谢工程中的工具可用于基因工程微生物合成生物燃料。开发电燃料宿主有两种基本途径:利用自然存在的H2自养生物来生产想要的电燃料，或者是选择合适的异养生物，利用CO2/H2生产电燃料。第二种方法，需要考虑所选宿主遗传系统的可用性和微生物能否适应生物工艺生产。合成生物学通过修饰已有的生物或者控制染色体以及一系列代谢途径重新创造生物。利用染色体修复得到的新遗传系统可以高效表达细胞质氢化酶Ⅰ(SHI)［24］，从而更好地氧化 H2和生产 NADPH。基于已获得的初步结果，人们还在努力构建电燃料生产宿主。

4 结语

电燃料具有良好的发展前景。光合作用生产生物燃料效率很低，非光合作用法生产电燃料可以改善这种现状，并且缓解温室效应。生产电燃料的有机体还在开发过程中。利用生物固碳作用生产生物燃料很有可能取代石油燃料。

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