在尋求減緩全球氣候變暖解決方案的征途中，一項被譽為“綠色魔法”的革新技術(shù)正逐漸嶄露頭角?？茖W家巧妙地利用微生物的轉(zhuǎn)化能力，通過地質(zhì)封存，將原本被視為環(huán)境重負的二氧化碳，轉(zhuǎn)化為對地球生態(tài)系統(tǒng)大有裨益的寶貴資源。
日前，太原理工大學安全與應急管理工程學院能源資源生物低碳開發(fā)課題組成員馮驍和該學院副院長、教授郭紅光等人分析了深地封存二氧化碳可能涉及的生物甲烷化、液化、礦化機理，并系統(tǒng)綜述了各轉(zhuǎn)化途徑的研究進展。相關(guān)研究成果發(fā)表于《生物工程學報》。
微生物可轉(zhuǎn)化二氧化碳
二氧化碳減排是當前我國面臨的重要任務。目前學界普遍認為碳捕集、利用與封存（CCUS）是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要技術(shù)手段。
在二氧化碳的地質(zhì)封存過程中，微生物活動不可忽視。郭紅光介紹，微生物在自然界分布廣泛，在深部地層中曾發(fā)現(xiàn)豐富的微生物菌群，甚至在近4000米深的地下科學鉆探中也發(fā)現(xiàn)了微生物。作為深地生物圈的重要組成部分，自養(yǎng)微生物能夠依靠自身的化能合成作用以及與其他微生物間的協(xié)同作用，通過甲烷化、液化、礦化等多種途徑，將被封存的二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷、有機酸、碳酸鈣等，能夠暫時或永久地實現(xiàn)固碳效果。
那么，什么是二氧化碳生物甲烷化、液化、礦化？
馮驍告訴記者，二氧化碳生物甲烷化是指在產(chǎn)甲烷菌等特定微生物的作用下，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷的過程。這一過程通常需要在厭氧條件下進行，并需要氫作為還原劑。產(chǎn)甲烷菌通過一系列的酶促反應，將二氧化碳和氫轉(zhuǎn)化為甲烷和水。這種轉(zhuǎn)化不僅實現(xiàn)了二氧化碳的資源化利用，還產(chǎn)生了清潔能源甲烷，對于緩解能源危機和減少溫室氣體排放具有重要意義。
除轉(zhuǎn)化為甲烷以外，微生物同樣可以利用二氧化碳發(fā)酵產(chǎn)酸，把二氧化碳轉(zhuǎn)化為高價值的液相產(chǎn)物，這一過程被稱為二氧化碳生物液化，主要由同型產(chǎn)乙酸菌實現(xiàn)。這不僅減少了碳排放，還實現(xiàn)了溫室氣體的高值轉(zhuǎn)化。
太原理工大學安全與應急管理工程學院副教授李治剛介紹，目前二氧化碳生物液化主要著眼于在地面發(fā)酵罐中的應用，在地層原位的相關(guān)研究較少。
二氧化碳生物礦化則是指在微生物誘導作用下，二氧化碳溶解并與金屬離子形成碳酸鹽礦物的過程。微生物活動導致的pH值升高會加速二氧化碳溶解形成CO32-。同時，微生物具有負電官能團的細胞壁以及胞外聚合物能夠吸引金屬離子富集，從而以細胞作為晶體成核位點，將CO32-進一步轉(zhuǎn)化為碳酸鹽礦物。
“微生物誘導的二氧化碳礦化反應條件易達到，生成的碳酸鹽類礦物多為理化性質(zhì)穩(wěn)定的方解石，有利于持久固定二氧化碳。”李治剛說，二氧化碳生物礦化是二氧化碳地質(zhì)封存最為穩(wěn)定的方式，礦化后的二氧化碳相對來說更難被再次釋放。
仍有多個問題需要解決
盡管微生物可以實現(xiàn)固碳，但郭紅光指出，其轉(zhuǎn)化效率受環(huán)境條件，如溫度、壓力、pH值等因素的影響，自然狀態(tài)下通常效率較低。例如，地下二氧化碳礦化封存通常需要上百年甚至上千年時間。為此，人工干預能夠顯著提高二氧化碳生物轉(zhuǎn)化速率。
郭紅光介紹，目前加速轉(zhuǎn)化的生物技術(shù)手段主要包括兩個方面，生物刺激和生物強化。生物刺激主要從電子供應和傳遞角度考慮，通過添加營養(yǎng)物質(zhì)、催化物質(zhì)、施加電場等方式提高生化反應速率。生物強化是從菌群活性方面入手，通過擴大菌群來源、本源菌與外源菌相結(jié)合、富集培育與純菌復配相結(jié)合、基因工程改造等方式提高菌群的耐受性和轉(zhuǎn)化能力。
除了要提高二氧化碳生物轉(zhuǎn)化速率，地質(zhì)封存過程中面臨的二氧化碳遷移泄漏風險也需解決。
李治剛強調(diào)，通過微生物礦化固定二氧化碳、限制二氧化碳逃逸相關(guān)研究目前仍處于起步階段，在原位礦化機理及其影響機制、微生物礦化提速技術(shù)方法及相關(guān)工藝參數(shù)方面還需要深入研究。
在郭紅光看來，二氧化碳生物轉(zhuǎn)化是實現(xiàn)我國“雙碳”目標的重要技術(shù)手段。為了最大限度地實現(xiàn)二氧化碳的捕獲封存、轉(zhuǎn)化固定以及資源化利用，探索低成本的二氧化碳生物轉(zhuǎn)化技術(shù)是當前必須要解決的難題。
“當前，二氧化碳生物甲烷化、液化、礦化仍處于起步探索階段，僅開展了初步示范應用。”馮驍介紹，目前科學家已經(jīng)對二氧化碳生物轉(zhuǎn)化機理有了較好理解，但CCUS背景下，地下儲層環(huán)境對生物轉(zhuǎn)化的影響及調(diào)控理論技術(shù)還未明晰。建立健全二氧化碳地下原位生物轉(zhuǎn)化理論，開發(fā)生物轉(zhuǎn)化與增速技術(shù)體系是未來需要解決的主要問題。
郭紅光表示，盡管基于CCUS的二氧化碳生物轉(zhuǎn)化還面臨許多挑戰(zhàn)，但這一領(lǐng)域正在迅速發(fā)展，其主要推動力在于該技術(shù)所展現(xiàn)的廣闊應用前景。
“隨著理論研究和技術(shù)創(chuàng)新的深入，我們有理由相信，地質(zhì)封存中的二氧化碳生物轉(zhuǎn)化技術(shù)將在未來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用，為‘雙碳’目標的達成提供堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。”郭紅光說。
在尋求減緩全球氣候變暖解決方案的征途中，一項被譽為“綠色魔法”的革新技術(shù)正逐漸嶄露頭角?？茖W家巧妙地利用微生物的轉(zhuǎn)化能力，通過地質(zhì)封存，將原本被視為環(huán)境重負的二氧化碳，轉(zhuǎn)化為對地球生態(tài)系統(tǒng)大有裨益的寶貴資源。
日前，太原理工大學安全與應急管理工程學院能源資源生物低碳開發(fā)課題組成員馮驍和該學院副院長、教授郭紅光等人分析了深地封存二氧化碳可能涉及的生物甲烷化、液化、礦化機理，并系統(tǒng)綜述了各轉(zhuǎn)化途徑的研究進展。相關(guān)研究成果發(fā)表于《生物工程學報》。
微生物可轉(zhuǎn)化二氧化碳
二氧化碳減排是當前我國面臨的重要任務。目前學界普遍認為碳捕集、利用與封存（CCUS）是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要技術(shù)手段。
在二氧化碳的地質(zhì)封存過程中，微生物活動不可忽視。郭紅光介紹，微生物在自然界分布廣泛，在深部地層中曾發(fā)現(xiàn)豐富的微生物菌群，甚至在近4000米深的地下科學鉆探中也發(fā)現(xiàn)了微生物。作為深地生物圈的重要組成部分，自養(yǎng)微生物能夠依靠自身的化能合成作用以及與其他微生物間的協(xié)同作用，通過甲烷化、液化、礦化等多種途徑，將被封存的二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷、有機酸、碳酸鈣等，能夠暫時或永久地實現(xiàn)固碳效果。
那么，什么是二氧化碳生物甲烷化、液化、礦化？
馮驍告訴記者，二氧化碳生物甲烷化是指在產(chǎn)甲烷菌等特定微生物的作用下，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷的過程。這一過程通常需要在厭氧條件下進行，并需要氫作為還原劑。產(chǎn)甲烷菌通過一系列的酶促反應，將二氧化碳和氫轉(zhuǎn)化為甲烷和水。這種轉(zhuǎn)化不僅實現(xiàn)了二氧化碳的資源化利用，還產(chǎn)生了清潔能源甲烷，對于緩解能源危機和減少溫室氣體排放具有重要意義。
除轉(zhuǎn)化為甲烷以外，微生物同樣可以利用二氧化碳發(fā)酵產(chǎn)酸，把二氧化碳轉(zhuǎn)化為高價值的液相產(chǎn)物，這一過程被稱為二氧化碳生物液化，主要由同型產(chǎn)乙酸菌實現(xiàn)。這不僅減少了碳排放，還實現(xiàn)了溫室氣體的高值轉(zhuǎn)化。
太原理工大學安全與應急管理工程學院副教授李治剛介紹，目前二氧化碳生物液化主要著眼于在地面發(fā)酵罐中的應用，在地層原位的相關(guān)研究較少。
二氧化碳生物礦化則是指在微生物誘導作用下，二氧化碳溶解并與金屬離子形成碳酸鹽礦物的過程。微生物活動導致的pH值升高會加速二氧化碳溶解形成CO32-。同時，微生物具有負電官能團的細胞壁以及胞外聚合物能夠吸引金屬離子富集，從而以細胞作為晶體成核位點，將CO32-進一步轉(zhuǎn)化為碳酸鹽礦物。
“微生物誘導的二氧化碳礦化反應條件易達到，生成的碳酸鹽類礦物多為理化性質(zhì)穩(wěn)定的方解石，有利于持久固定二氧化碳。”李治剛說，二氧化碳生物礦化是二氧化碳地質(zhì)封存最為穩(wěn)定的方式，礦化后的二氧化碳相對來說更難被再次釋放。
仍有多個問題需要解決
盡管微生物可以實現(xiàn)固碳，但郭紅光指出，其轉(zhuǎn)化效率受環(huán)境條件，如溫度、壓力、pH值等因素的影響，自然狀態(tài)下通常效率較低。例如，地下二氧化碳礦化封存通常需要上百年甚至上千年時間。為此，人工干預能夠顯著提高二氧化碳生物轉(zhuǎn)化速率。
郭紅光介紹，目前加速轉(zhuǎn)化的生物技術(shù)手段主要包括兩個方面，生物刺激和生物強化。生物刺激主要從電子供應和傳遞角度考慮，通過添加營養(yǎng)物質(zhì)、催化物質(zhì)、施加電場等方式提高生化反應速率。生物強化是從菌群活性方面入手，通過擴大菌群來源、本源菌與外源菌相結(jié)合、富集培育與純菌復配相結(jié)合、基因工程改造等方式提高菌群的耐受性和轉(zhuǎn)化能力。
除了要提高二氧化碳生物轉(zhuǎn)化速率，地質(zhì)封存過程中面臨的二氧化碳遷移泄漏風險也需解決。
李治剛強調(diào)，通過微生物礦化固定二氧化碳、限制二氧化碳逃逸相關(guān)研究目前仍處于起步階段，在原位礦化機理及其影響機制、微生物礦化提速技術(shù)方法及相關(guān)工藝參數(shù)方面還需要深入研究。
在郭紅光看來，二氧化碳生物轉(zhuǎn)化是實現(xiàn)我國“雙碳”目標的重要技術(shù)手段。為了最大限度地實現(xiàn)二氧化碳的捕獲封存、轉(zhuǎn)化固定以及資源化利用，探索低成本的二氧化碳生物轉(zhuǎn)化技術(shù)是當前必須要解決的難題。
“當前，二氧化碳生物甲烷化、液化、礦化仍處于起步探索階段，僅開展了初步示范應用。”馮驍介紹，目前科學家已經(jīng)對二氧化碳生物轉(zhuǎn)化機理有了較好理解，但CCUS背景下，地下儲層環(huán)境對生物轉(zhuǎn)化的影響及調(diào)控理論技術(shù)還未明晰。建立健全二氧化碳地下原位生物轉(zhuǎn)化理論，開發(fā)生物轉(zhuǎn)化與增速技術(shù)體系是未來需要解決的主要問題。
郭紅光表示，盡管基于CCUS的二氧化碳生物轉(zhuǎn)化還面臨許多挑戰(zhàn)，但這一領(lǐng)域正在迅速發(fā)展，其主要推動力在于該技術(shù)所展現(xiàn)的廣闊應用前景。
“隨著理論研究和技術(shù)創(chuàng)新的深入，我們有理由相信，地質(zhì)封存中的二氧化碳生物轉(zhuǎn)化技術(shù)將在未來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用，為‘雙碳’目標的達成提供堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。”郭紅光說。
本文鏈接：http://www.enbeike.cn/news-2-615-0.html微生物“導演”二氧化碳“變形記”
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