近日，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的一組研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)非常有意義的實(shí)驗(yàn)，他們?cè)诟脑炝嘶蚪Y(jié)構(gòu)的微生物的幫助下，將二氧化碳轉(zhuǎn)化成可以作為汽車(chē)、內(nèi)燃機(jī)燃料的異丁醇和異戊醇，使二氧化碳實(shí)現(xiàn)不可思議的“反向燃燒”和“閉合循環(huán)”。
由此我們既可以生產(chǎn)像汽油一樣的燃料，同時(shí)又能保護(hù)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，在一定程度上緩解全球變暖危機(jī)。這項(xiàng)技術(shù)是如何使二氧化碳發(fā)生神奇轉(zhuǎn)變的?作為 “碳捕獲和利用”新技術(shù)，它能為我們創(chuàng)造哪些價(jià)值?將二氧化碳變?nèi)剂霞夹g(shù)背后有著什么樣的技術(shù)積累?對(duì)此，記者采訪(fǎng)了中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所生物資源中心副研究員陳曉華。
用細(xì)菌“拼裝”碳元素溫室氣體重獲“新生”
近日一項(xiàng)美國(guó)加州大學(xué)公布的研究讓人們眼前一亮，這是一項(xiàng)利用基因改造后的微生物將二氧化碳轉(zhuǎn)化為液體燃料的技術(shù)。美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校薩繆里工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員，對(duì)一種名為富養(yǎng)羅爾斯通氏菌H16的微生物進(jìn)行了基因改造，使用二氧化碳作為單一碳來(lái)源，電力作為唯一的能量輸入，在電子生物反應(yīng)器中生產(chǎn)出異丁醇和異戊醇。
陳曉華介紹說(shuō)，應(yīng)該說(shuō)合理利用二氧化碳已成為世界各國(guó)普遍關(guān)注的研究課題，二氧化碳是碳?xì)浠衔锶紵淖罱K產(chǎn)物，性質(zhì)極為穩(wěn)定不易活化。近年來(lái)人們采用多種方法(如均相和多相催化加氫、電催化、光催化、熱解、生物活化等)對(duì)二氧化碳進(jìn)行活化，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并合成出甲烷、甲醇、甲酸等有機(jī)化合物或高分子化合物。這項(xiàng)研究就是利用生物技術(shù)對(duì)二氧化碳進(jìn)行了活化。
那么，二氧化碳變?nèi)剂闲枰?jīng)歷什么樣的過(guò)程?
陳曉華表示，從本質(zhì)上來(lái)講，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員的這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是通過(guò)一種電生物反應(yīng)器來(lái)將電能轉(zhuǎn)化為液體燃料，整個(gè)過(guò)程類(lèi)似于生物系統(tǒng)的光合作用。我們知道光合作用就是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)的一種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，它可以分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩部分，其中光反應(yīng)必須在光環(huán)境下進(jìn)行，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能;而暗反應(yīng)就是將吸收來(lái)的二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程是不需要有光的。研究人員就是通過(guò)把生物光合作用的兩大部分分開(kāi)進(jìn)行來(lái)制造新燃料的：首先，利用太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生甲酸完成光反應(yīng)。然后，再利用中間體，也就是之前生成的甲酸來(lái)驅(qū)動(dòng)富養(yǎng)羅爾斯通氏菌H16固定二氧化碳產(chǎn)生燃料，實(shí)現(xiàn)暗反應(yīng)。
其中，與植物的光合作用一樣，富養(yǎng)羅爾斯通氏菌H16通過(guò)卡爾文循環(huán)固定二氧化碳。它工作的方式很像生活中的汽車(chē)自動(dòng)裝配生產(chǎn)線(xiàn)：富養(yǎng)羅爾斯通氏菌 H16利用乙酰輔酶A (看做是活化了的乙酸)作為流水線(xiàn)的傳送帶和自動(dòng)機(jī)器人手，以二氧化碳作為原料或零件，將其拼裝成4個(gè)碳或5個(gè)碳的含高能量的有機(jī)化合物，最終形成如異丁醇和異戊醇等有機(jī)化合物或高分子化合物。
巧妙利用二氧化碳環(huán)保與能源一箭雙雕
作為轉(zhuǎn)化原料的二氧化碳“儲(chǔ)量豐富”。二氧化碳通常是由燃燒有機(jī)化合物、細(xì)胞的呼吸作用、微生物的發(fā)酵作用等所產(chǎn)生的。根據(jù)聯(lián)合國(guó)披露的最新數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)由于工業(yè)化生產(chǎn)等原因，全球二氧化碳濃度已上升至387ppm。
生物的生存環(huán)境是多樣的，尤其是微生物。它的生存環(huán)境不是恒溫恒壓。在一定的溫度和壓力范圍內(nèi)，它的生活狀態(tài)是可以維持正常水平的。但是在這個(gè)可以緩沖的區(qū)間中，存在某一個(gè)特定的壓力和溫度，使該種生物代謝出的產(chǎn)物量達(dá)到最大。
這種微生物生存、繁殖等的能量來(lái)源是什么?該菌可以有兩種代謝方式，化能自養(yǎng)以及化能異養(yǎng)。即在該生物攝取營(yíng)養(yǎng)時(shí)，依靠營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行化學(xué)暗反應(yīng)而獲得能量�；蛘呤褂糜袡C(jī)物氧化分解作為能量來(lái)源，進(jìn)行異養(yǎng)代謝。
二氧化碳轉(zhuǎn)化出來(lái)的產(chǎn)物主要是異丁醇和異戊醇。
異丁醇是四個(gè)碳的醇，它可作為平臺(tái)化學(xué)品，具有廣泛的用途，可生產(chǎn)約40%的石化產(chǎn)品和100%的烴類(lèi)燃料。所以說(shuō)異丁醇可作為一種替代汽油的內(nèi)燃機(jī)燃料。另外它還可以用于制造汽油添加劑、石油添加劑、抗氧劑、2,6-二叔丁基對(duì)甲酚、乙酸異丁酯(涂料溶劑)、增塑劑、合成橡膠、人造麝香、果子精油和合成藥物等。
異戊醇與亞硝酸鈉酯化得到亞硝酸異戊酯，是作用最快的亞硝酸酯類(lèi)短效血管擴(kuò)張劑。異戊醇也用來(lái)合成鎮(zhèn)靜催眠藥溴米那、阿米妥。異戊醇還可作溶劑和化學(xué)分析的試劑，也用作生產(chǎn)增塑劑、攝影藥品的原料。它還是燃料油的組分。
長(zhǎng)久以來(lái)，許多科學(xué)家為解決全球變暖問(wèn)題，設(shè)計(jì)和實(shí)施了許多捕捉空氣中二氧化碳的方案，但似乎目前我們還不能寄希望于此。
陳曉華解釋說(shuō)，以這項(xiàng)技術(shù)為代表的“碳捕獲和利用”可以克服“碳捕獲和存儲(chǔ)”的諸多缺陷，如難以找到足夠的地下存儲(chǔ)空間、泄露風(fēng)險(xiǎn)、長(zhǎng)期責(zé)任問(wèn)題及公眾接受度問(wèn)題。
而且，利用它創(chuàng)造價(jià)值也有助于補(bǔ)償碳捕獲的開(kāi)銷(xiāo)。通過(guò)碳回收制造液態(tài)燃料對(duì)于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展也具有重大意義，它有助于降低對(duì)石油的依賴(lài)。
但是我們還應(yīng)該看到這種技術(shù)只在一定程度上有助于緩解全球變暖問(wèn)題，根本解決這個(gè)問(wèn)題還需要從各個(gè)方面共同努力，比如減少化石燃料的使用、開(kāi)發(fā)清潔的生物質(zhì)能源以及其他可替代性的清潔能源和提高能源的利用率等等。
融多項(xiàng)科技于一身新技術(shù)締造光明未來(lái)
在科技高速發(fā)展的今天，各學(xué)科“百花齊放，百家爭(zhēng)鳴”，多學(xué)科交織、相互聯(lián)系。電氣化學(xué)中甲酸鹽的(高溫高壓酶催化)生成，生物學(xué)中二氧化碳的固定，以及高級(jí)醇的合成，都為電力驅(qū)動(dòng)二氧化碳向多種化學(xué)物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化開(kāi)啟了可能。此外，甲酸鹽轉(zhuǎn)化為液體燃料也將在生物質(zhì)煉制過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
這幾項(xiàng)技術(shù)的研究都是希望在降低溫室氣體的主要成分二氧化碳的同時(shí)產(chǎn)生高附加值的化學(xué)物質(zhì)或者生物質(zhì)燃料。這樣的研究思路為的是緩解全球性的氣候變暖，加快生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)，同時(shí)要解決化石燃料使用帶來(lái)的一系列問(wèn)題。
電氣化學(xué)中的甲酸鹽的生成主要是利用高溫高壓條件下的酶催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，而生物學(xué)中的二氧化碳固定也是由一系列的酶催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，只是這個(gè)過(guò)程相比較于電氣化學(xué)更溫和。在這兩個(gè)過(guò)程中都涉及到了電子的轉(zhuǎn)移和傳遞過(guò)程，因此通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)電子的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)向的電子受體不同就會(huì)產(chǎn)生不同的化學(xué)物質(zhì)。
在電化學(xué)的過(guò)程中，酶催化反應(yīng)的速度很快，但是不穩(wěn)定;而生物學(xué)的過(guò)程中，酶催化反應(yīng)穩(wěn)定但速度慢。因此，通過(guò)生物學(xué)與電化學(xué)的互補(bǔ)性研究，才推動(dòng)了這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。
關(guān)于此項(xiàng)技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用，陳曉華認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)是通過(guò)電力來(lái)取代生物體中的電子轉(zhuǎn)移所帶來(lái)的動(dòng)力。因?yàn)樯矬w中的反應(yīng)慢，而該技術(shù)可以加快反應(yīng)的速度，因此，該方法可以用來(lái)加快生物體中的某些氧化還原反應(yīng)。
電能是一種干凈無(wú)污染的能源，用電能取代汽油驅(qū)動(dòng)各種機(jī)器是大家共同的心愿。目前一般使用鋰離子電池來(lái)儲(chǔ)存電力，存儲(chǔ)密度很低，但當(dāng)以液態(tài)形式存儲(chǔ)燃料時(shí)，存儲(chǔ)密度能顯著提升，并且新方法還具備利用電力作為運(yùn)輸燃料的潛力，而無(wú)需改變現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。加州大學(xué)這次提出的將電能儲(chǔ)存為高級(jí)醇形式的化學(xué)能的方式，就可能為這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展開(kāi)辟一條新路�，F(xiàn)在隨著原油儲(chǔ)量的逐漸減少，汽油的價(jià)格也在持續(xù)地上漲，所以像這類(lèi)的“生物煉油廠(chǎng)”是絕對(duì)值得我們投入精力財(cái)力來(lái)開(kāi)發(fā)的。
總而言之，依靠二氧化碳實(shí)現(xiàn)“反向燃燒”和“閉合循環(huán)”的效益是無(wú)比誘人的。由此，我們既可以生產(chǎn)像汽油一樣的燃料，同時(shí)又能保護(hù)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。
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