在尋求減緩全球氣候變暖解決方案的征途中，一項(xiàng)被譽(yù)為“綠色魔法”的革新技術(shù)正逐漸嶄露頭角?？茖W(xué)家巧妙地利用微生物的轉(zhuǎn)化能力，通過(guò)地質(zhì)封存，將原本被視為環(huán)境重負(fù)的二氧化碳，轉(zhuǎn)化為對(duì)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(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院能源資源生物低碳開(kāi)發(fā)課題組成員馮驍和該學(xué)院副院長(zhǎng)、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(jī)理，并系統(tǒng)綜述了各轉(zhuǎn)化途徑的研究進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表于《生物工程學(xué)報(bào)》。
微生物可轉(zhuǎn)化二氧化碳
二氧化碳減排是當(dāng)前我國(guó)面臨的重要任務(wù)。目前學(xué)界普遍認(rèn)為碳捕集、利用與封存（CCUS）是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)手段。
在二氧化碳的地質(zhì)封存過(guò)程中，微生物活動(dòng)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(xué)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(guò)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(jī)酸、碳酸鈣等，能夠暫時(shí)或永久地實(shí)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(guò)程。這一過(guò)程通常需要在厭氧條件下進(jìn)行，并需要?dú)渥鳛檫€原劑。產(chǎn)甲烷菌通過(guò)一系列的酶促反應(yīng)，將二氧化碳和氫轉(zhuǎn)化為甲烷和水。這種轉(zhuǎn)化不僅實(shí)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(duì)于緩解能源危機(jī)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(jià)值的液相產(chǎn)物，這一過(guò)程被稱為二氧化碳生物液化，主要由同型產(chǎn)乙酸菌實(shí)現(xiàn)。這不僅減少了碳排放，還實(shí)現(xiàn)了溫室氣體的高值轉(zhuǎn)化。
太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)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(yīng)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(dǎo)作用下，二氧化碳溶解并與金屬離子形成碳酸鹽礦物的過(guò)程。微生物活動(dòng)導(dǎo)致的pH值升高會(huì)加速二氧化碳溶解形成CO32-。同時(shí)，微生物具有負(fù)電官能團(tuán)的細(xì)胞壁以及胞外聚合物能夠吸引金屬離子富集，從而以細(xì)胞作為晶體成核位點(diǎn)，將CO32-進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為碳酸鹽礦物。
“微生物誘導(dǎo)的二氧化碳礦化反應(yīng)條件易達(dá)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(shuō)，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(duì)來(lái)說(shuō)更難被再次釋放。
仍有多個(gè)問(wèn)題需要解決
盡管微生物可以實(shí)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(shí)間。為此，人工干預(yù)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(gè)方面，生物刺激和生物強(qiáng)化。生物刺激主要從電子供應(yīng)和傳遞角度考慮，通過(guò)添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、催化物質(zhì)、施加電場(chǎng)等方式提高生化反應(yīng)速率。生物強(qiáng)化是從菌群活性方面入手，通過(guò)擴(kuò)大菌群來(lái)源、本源菌與外源菌相結(jié)合、富集培育與純菌復(fù)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(guò)程中面臨的二氧化碳遷移泄漏風(fēng)險(xiǎn)也需解決。
李治剛強(qiáng)調(diào)，通過(guò)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(jī)理及其影響機(jī)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(lái)，二氧化碳生物轉(zhuǎn)化是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)手段。為了最大限度地實(shí)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(dāng)前必須要解決的難題。
“當(dāng)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(kāi)展了初步示范應(yīng)用。”馮驍介紹，目前科學(xué)家已經(jīng)對(duì)二氧化碳生物轉(zhuǎn)化機(jī)理有了較好理解，但CCUS背景下，地下儲(chǔ)層環(huán)境對(duì)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(kāi)發(fā)生物轉(zhuǎn)化與增速技術(shù)體系是未來(lái)需要解決的主要問(wèn)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(dòng)力在于該技術(shù)所展現(xiàn)的廣闊應(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為‘雙碳’目標(biāo)的達(dá)成提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。”郭紅光說(shuō)。
在尋求減緩全球氣候變暖解決方案的征途中，一項(xiàng)被譽(yù)為“綠色魔法”的革新技術(shù)正逐漸嶄露頭角?？茖W(xué)家巧妙地利用微生物的轉(zhuǎn)化能力，通過(guò)地質(zhì)封存，將原本被視為環(huán)境重負(fù)的二氧化碳，轉(zhuǎn)化為對(duì)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(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院能源資源生物低碳開(kāi)發(fā)課題組成員馮驍和該學(xué)院副院長(zhǎng)、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(jī)理，并系統(tǒng)綜述了各轉(zhuǎn)化途徑的研究進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表于《生物工程學(xué)報(bào)》。
微生物可轉(zhuǎn)化二氧化碳
二氧化碳減排是當(dāng)前我國(guó)面臨的重要任務(wù)。目前學(xué)界普遍認(rèn)為碳捕集、利用與封存（CCUS）是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)手段。
在二氧化碳的地質(zhì)封存過(guò)程中，微生物活動(dòng)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(xué)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(guò)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(jī)酸、碳酸鈣等，能夠暫時(shí)或永久地實(shí)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(guò)程。這一過(guò)程通常需要在厭氧條件下進(jìn)行，并需要?dú)渥鳛檫€原劑。產(chǎn)甲烷菌通過(guò)一系列的酶促反應(yīng)，將二氧化碳和氫轉(zhuǎn)化為甲烷和水。這種轉(zhuǎn)化不僅實(shí)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(duì)于緩解能源危機(jī)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(jià)值的液相產(chǎn)物，這一過(guò)程被稱為二氧化碳生物液化，主要由同型產(chǎn)乙酸菌實(shí)現(xiàn)。這不僅減少了碳排放，還實(shí)現(xiàn)了溫室氣體的高值轉(zhuǎn)化。
太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)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(yīng)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(dǎo)作用下，二氧化碳溶解并與金屬離子形成碳酸鹽礦物的過(guò)程。微生物活動(dòng)導(dǎo)致的pH值升高會(huì)加速二氧化碳溶解形成CO32-。同時(shí)，微生物具有負(fù)電官能團(tuán)的細(xì)胞壁以及胞外聚合物能夠吸引金屬離子富集，從而以細(xì)胞作為晶體成核位點(diǎn)，將CO32-進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為碳酸鹽礦物。
“微生物誘導(dǎo)的二氧化碳礦化反應(yīng)條件易達(dá)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(shuō)，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(duì)來(lái)說(shuō)更難被再次釋放。
仍有多個(gè)問(wèn)題需要解決
盡管微生物可以實(shí)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(shí)間。為此，人工干預(yù)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(gè)方面，生物刺激和生物強(qiáng)化。生物刺激主要從電子供應(yīng)和傳遞角度考慮，通過(guò)添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、催化物質(zhì)、施加電場(chǎng)等方式提高生化反應(yīng)速率。生物強(qiáng)化是從菌群活性方面入手，通過(guò)擴(kuò)大菌群來(lái)源、本源菌與外源菌相結(jié)合、富集培育與純菌復(fù)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(guò)程中面臨的二氧化碳遷移泄漏風(fēng)險(xiǎn)也需解決。
李治剛強(qiáng)調(diào)，通過(guò)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(jī)理及其影響機(jī)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(lái)，二氧化碳生物轉(zhuǎn)化是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)手段。為了最大限度地實(shí)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(dāng)前必須要解決的難題。
“當(dāng)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(kāi)展了初步示范應(yīng)用。”馮驍介紹，目前科學(xué)家已經(jīng)對(duì)二氧化碳生物轉(zhuǎn)化機(jī)理有了較好理解，但CCUS背景下，地下儲(chǔ)層環(huán)境對(duì)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(kāi)發(fā)生物轉(zhuǎn)化與增速技術(shù)體系是未來(lái)需要解決的主要問(wèn)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(dòng)力在于該技術(shù)所展現(xiàn)的廣闊應(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為‘雙碳’目標(biāo)的達(dá)成提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。”郭紅光說(shuō)。
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