酶法固定 CO2 的研究进展

尹静

2011.12.12

温室效应会导致高纬度地区降雨量增加、高山积雪融化、两极冰山融化、海平面上升 ,已成为影响地球生态环境的重要原因。

温室效应气体有 CO2 、氯氟代烷、 CH4 等 30多种 ,其中 CO2 影响最大

CO2 的固定和利用方法主要有物理法、化学法和生物法

物理法和化学法虽然可以制得新的有用化合物 ,但会产生一些副产物 ,而且消耗能量 ,对环境造成二次污染。

生物法固定 CO2 是通过植物或微生物的循环途径将 CO2 转化成化学物质或其自身生长的营养物质。

二氧化碳的固定

◆ 酶固定 CO2 的机理

◆ 酶固定 CO2 的类型

◆ 现状及展望

目前研究较多的是使用多酶体系来模拟生物体的光合作用而还原 CO2 。

酶固定 CO2 的机理

多酶体系的组成

甲酸脱氢酶 (FDH) ：甲酸→ CO2

甲醛脱氢酶 (FADH) ：甲醛→ CO2

甲醇脱氢酶 (MDH) ：甲醇→ CO2

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。

1 、以 PQQ 为电子中间体

以甲酸脱氢酶和甲醇脱氢酶共同作为催化剂 ,以 PQQ作为电子中间体可将 CO2 还原成为甲醇。

分类：

2 、以 NADH 为电子中间体

CO2 先在甲酸脱氢酶作用下还原为甲酸盐 ,然后在甲醛脱氢酶作用下还原为甲醛 ,最后在甲醇脱氢酶作用下还原为甲醇 ,每一步脱氢酶反应的最终电子供体都为还原性 NADH 。

改进的溶胶 -凝胶法固定多酶体系

在低温低压条件下将 CO2 还原成甲醇 ,通过改变反应物配比、催化剂用量及其它反应条件 ,摸索出较适宜的凝胶化条件为 :37℃、 pH=7.0, 在此条件下甲醇产率 92.4% 。

上述反应体系需加入昂贵的 NADH 电子供体 ,且不能连续反应。

包埋后的多酶体系

将三种脱氢酶通过温和的仿生矿化过程包埋于二氧化钛粒子体系中 ,用于还原 CO2 成甲醇。

和开放型反应系统相比 ,包埋后的多酶体系将 CO2 还原为甲醇的产率有了很大的提高。

3 、以甲基紫精为电子中间体

以甲基紫精为电子中间体 ,在严格厌氧环境中将甲酸脱氢酶吸附到电极表面用于电化学还原 CO2 生成甲酸盐。 甲酸脱氢酶电催化在热力学上是可逆的 ,且只需要很低的过电压。

此反应发生在温和条件下 ,甲酸盐是唯一产物。

举例：以甲烷为底物连续反应 含多酶体系的甲烷氧化细菌在温和条件下经过一系列反应能够将 CO2 还原成甲醇 ,CO2 还原而成的甲醇在细胞外得以积累。过程如下：

在反应体系中加入甲烷作为底物时 , 产生的还原能量推动反应连续稳定进行。

上述研究都是使用多酶体系来模拟生物体的光合作用而还原 CO2, 反应无需光照 , 且不添加光催化剂或光敏剂。

在酶固定转化 CO2 的研究中 ,还有使用光敏剂对 CO2 进行光催化还原的报道。在上述体系中添加了光敏剂钌 , 利用酶 ICDH 和电子传输介质 MV2+成功进行了 CO2 的光化学固定及还原。

酶法固定 CO2存在酶种类少、途径单一、转化效率低等缺点。

酶固定 CO2 的机理也较复杂 , 还需要不断的探索。

酶法固定 CO2 的瓶颈

★ 进一步研究微生物和酶固定 CO2 的机理 ,为 CO2 固定研究提供理论支持

★ 开发新的高效分离技术以分离还原产物

★ 同其它还原 CO2 的方式 (如光催化和电化学还原等 )结合 ,用于合成各种化学品及高分子材料。

研究方向

THE END