厌氧消化工艺中生物固碳技术与途径研究进展

厌氧消化(anaerobic digestion,AD)是当前实现有机废弃物减量化与清洁能源生产的有效技术手段。在全球气候变暖和化石能源短缺的背景下,将AD技术与微生物固碳相结合,有助于提升生物甲烷的产率并增强固碳能力。然而,目前对于微生物固碳的研究普遍忽视了AD系统的固碳潜能。文章基于AD中CO_(2)的生物转化研究现状,介绍了AD中CO_(2)的产生及固定途径,重点分析了通过引入外源H_(2)、添加零价铁、外加微生物电解池、投加导电材料和引入外源CO_(2)等手段优化AD过程的研究进展。最后,文章对实现CO_(2)固定为无定形碳、明确外源CO_(2)促进产甲烷的具体机制及推动相关技术从实验室走向工业化应用等未来研究方向进行展望,为探索AD固碳途径和提升CO_(2)固定与转化技术提供一定的参考。

生物固碳途径研究进展

生物固碳是地球碳循环过程的重要组成部分。自然界已经发现了六条天然生物固碳途径,但自然途径不仅能量利用效率低下,而且人工改造提升固碳效率难度大。随着合成生物学的发展,新的人工固碳途径不断涌现。相对于天然途径,人工固碳途径具有路线短、耗能少、原子经济性高等优点,有望在不久的将来能够替代天然固碳途径,实现固碳效率的大幅提高,是解决人类能源与环境问题的有效途径之一。主要总结了天然固碳途径和人工固碳途径的代谢原理和关键固碳酶的酶学特征,并对未来发展趋势进行展望。

生物固碳:从自然生物到人工合成

近年来,大气中二氧化碳浓度上升引起了气候变化等一系列环境问题,“碳中和”成为各国发展目标之一。实现碳中和,意味着要将空气中的二氧化碳固定下来,作为生产碳基化合物的原料。将二氧化碳转化为人类可以利用的有机物是利用二氧化碳的有效途径之一,这使得二氧化碳的生物固定和转化成为当前研究热点,重点聚焦在天然固碳途径的改造和人工固碳途径的设计合成。由于二氧化碳中的碳原子处于最高氧化态,二氧化碳还原成有机物需要能量输入,如何输入还原力和能量是决定生物固碳效率的关键因素。本文总结了近年来天然固碳途径改造、人工固碳途径设计合成方面取得的进展,对天然固碳途径和人工固碳途径进行了比较分析,并重点讨论了人工生物固碳过程中的还原力和能量输入问题,包括还原力、ATP等化学能、光能和电能等。最后,从途径和能量两方面分析了生物固碳面临的问题和发展趋势,并据此提出了一些可能的研究方向。

CO2固定的合成生物学

将CO2转化为燃料或化学品,实现CO2的资源化利用,是缓解化石能源枯竭和温室效应这两大问题的有效途径之一.自养生物能够以光能/氢气/硫等为能量来源,在常温常压下将CO2转化为有机物,提供了一种CO2资源化利用的途径.利用经过代谢工程改造的自养生物(如蓝藻),已经可以实现从CO2生物合成十余种化学品,但整体固碳和转化效率尚低,不能满足工业应用的需求.本文首先介绍了目前已发现的6条天然生物固碳途径,重点从固碳途径及能量供给两方面总结了近年来生物固碳合成生物学研究取得的进展,并对生物固碳的前景和未来方向进行了展望.