可再生能源驱动的生物催化固定CO2的研究进展

刘艳辉，周明芳，马铭，王凯，谭天伟

（北京化工大学生命科学与技术学院，北京 100029）

工业发展带来了经济效益的同时，伴随着化石燃料的日益枯竭和CO2的大量排放，加剧了全球气候变暖[1]。2020年9月我国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。降低大气中CO2浓度主要有两种方法：一种是从根源上限制CO2排放，目前我国也出台了“碳税”这一政策，从源头上开始进行管控；另一种方法则是回收利用CO2生产简单的化工原料如甲酸、甲烷、乙醇等，甚至可以将CO2转化为C3+的高附加值产品。

目前有多种转化CO2的方法，如电化学催化[2]、光化学催化[3]、生物催化[4]以及光、电生物耦合催化法[5−7]等。利用光能或电能通过相关催化剂转化CO2，具有操作简便、清洁无污染的优点，但也存在还原深度浅、稳定性差、多碳产物选择性较差、还原机制不明确等问题，同时还需要上游CO2捕集工作[8−9]。生物法催化可以实现碳捕获与碳转化同时进行，与光、电耦合还可以提高碳转化效率，同时保留了生物法催化温和、高效、高产物选择性的特点，因此是目前的碳固定转化的研究热点之一。

光能、可再生能源发电产生的电能均可视为可再生能源，能显著减少温室气体排放[10]，另外可再生能源发电成本在不断下降[11]，所占的比例也越来越高[12]，故而应用可再生能源驱动生物催化固定CO2具有较好的社会效益和经济效益。电催化反应利用电能为生物酶催化反应提供还原力或为电活性微生物提供电子；光催化反应利用光能激发电子，为生物催化反应提供还原力，使得酶分子或微生物能够持续固定CO2生产甲酸、甲烷、生物燃料等产品[13−15]。但生物催化与电催化、光催化反应耦合存在能量转化效率低，电、光催化速率与生物催化速率之间协同困难等问题，降低了固碳效率。本文对相关问题的研究进行了总结，并对未来的研究方向进行展望。

1 酶法固定CO2

1.1 常见的碳固定及碳还原酶

1.1.1 常见的碳还原酶

酶法直接还原CO2通常是简单的加氢反应，产物多为简单的一碳产物如甲烷、甲酸、甲醇以及一氧化碳等[16]。目前直接还原CO2相关的酶主要有碳酸酐酶（carbonic anhydrase，CA）、一氧化碳脱氢酶（carbon monoxide dehydrogenase，CODH）、固氮酶以及甲酸脱氢酶（formate dehydrogenase，FDH）。表1 总结了这些酶的体外碳还原反应、机制及优缺点。

表1 常见碳还原相关酶

如何从大气或者废气中高效捕获收集CO2是影响固定CO2效率的一个重要因素，气态形式的CO2对于一些反应器来说较难利用，CA 则可以催化CO2水合生成碳酸氢根，方便反应器的利用，提高碳固定的效率[25]。严格来说CA 催化的CO2反应不是还原反应，过程不消耗还原力并且反应过程可逆，反应方向与底物浓度有关[16]。

CODH大致分为两种类型：第一类是存在于需氧羧基营养细菌中的Mo,Cu−CODH，只催化CO 氧化生成CO2，没有CO2还原活性；第二类是只存在于厌氧细菌或古菌中的Ni,Fe−CODH，在[NiFe4S4]活性位点催化CO2向CO 的双向可逆反应[20]。但并不是所有的Ni,Fe−CODH 都具有CO2还原活性，根据系统发育和亚单位组成将Ni, Fe−CODH 分为四类，Ⅰ类和Ⅱ类CODH只存在于古菌中且主要存在于产甲烷古菌中；Ⅲ类CODH通常存在于乙酸细菌中；Ⅳ类CODH 是单功能酶，其功能与Mo, Cu−CODH类似，只氧化CO生成CO2[26]。

固氮菌（Azotobacter vinelandii）中的固氮酶簇包含一种含铁（Fe）的二聚体还原蛋白，被称为铁蛋白，它在体内作为电子供体参与催化过程[27]。铁蛋白被证实是一种还原酶，通过其Fe4S4中心氧化还原的变化将体内或体外环境中的CO2还原为CO[28]，来自产甲烷菌（Methanosarcina acetivorans）的固氮酶也具有相似的固碳机理[29]。除了CO 外，固氮酶还可以将CO2还原为CH4，如来自沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）的固氮酶可以将CO2还原生成CH4[30]。Stiebritz 等发现产甲烷菌（Methanosarcina acetivorans）中的铁蛋白可以把CO2与CO 催化还原为C1（CH4），C2（C2H4，C2H6）和C3（C3H6，C3H8）等碳氢化合物，并且进一步证实了这种还原反应是Fe4S4团簇所固有的[22]。除含有金属Fe 外，一些重构固氮酶还含金属Mo、V，均可以催化CO2还原生成CO，通过突变还可以将其产物谱扩大到CH4或者催化多碳耦合生成C3H6。含不同金属的固氮酶在固碳机制、产物上会有一些差别，Oehlmann等[31]的综述文章中进行了介绍。

FDH 有两种类型：一种是以NAD(P)+为辅因子，催化HCOOH 生成CO2的游离金属FDH；另一种是金属依赖的FDH，它们可逆地将CO2还原为HCOOH[32]。具有逆向催化功能的FDH大多数发现于细菌、真菌中，扬氏梭菌（Clostridium ljungdahlii）来源的甲酸脱氢酶ClFDH 具有CO2还原活性[33]。有研究者以ClFDH 为参考，通过基因组挖掘发现了产乙醇梭菌（C. autoeththanogenum）、克萨氏梭菌（C. coskatii） 和拉氏梭菌（C. ragsdalei） 来源的FDH，并验证其具有CO2还原活性[34]。此外，硫杆菌（Thiobacillussp.KNK65MA）的TsFDH、脱硫弧菌（Desulfovibrio vulgarisHildenborough）的DvFDH以及假丝酵母（Candida boidini）的CbFDH 等也都是此类具有CO2还原功能的FDH[32]。研究表明，FDH 的CO2还原活性多数依赖金属钼（Mo）或钨（W）[33,35]。

1.1.2 常见的碳固定酶

除了CO2还原酶外，还有几种重要的CO2羧化酶参与自然界中的固碳反应，且它们主要源于天然的生物固碳途径。

1,5−二磷酸核酮糖羧化酶（Ribulose 1,5−bisphosphate carboxylase，RuBisCO）是卡尔文循环（Calvin−Benson−Bassham，CBB）的核心固碳酶，是自然界中固碳量最高的酶，催化CO2与1,5−二磷酸核酮糖（ribulose 1,5−bisphosphate，RuBP）反应生成3−磷酸甘油酸（3−phosphoglycerate，3−PGA），同时催化RuBP 与O2反应生成3−PGA 和2−磷酸乙醇酸，后者会在光呼吸中代谢消耗掉，造成碳损失[36−37]。因此，增强RuBisCO 的羧化能力是目前的研究热点，主要研究方法为筛选、定向化改造等[36]。RuBisCo 催化效率低，需要大量合成，其生物合成依赖伴侣蛋白体系，因此在工程菌株中异源表达RuBisCO 需要相关伴侣蛋白及辅助因子的表达[38−39]。乙酰辅酶A 羧化酶和丙酰辅酶A 羧化酶是存在于3−羟基丙酸/4−羟基丁酸循环的酶，催化CO2固定并以乙酰辅酶A 为底物合成琥珀酸[40−41]。还原性三羧酸循环主要存在于绿硫菌和厌氧菌中，其中异柠檬酸脱氢酶是重要的CO2羧化酶，催化CO2和α−酮戊二酸合成异柠檬酸，在调节胞内碳源流动上发挥着关键作用[42−43]。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是二羧酸/4−羟基丁酸循环途径中的固碳酶，催化HCO−3和磷酸烯醇式丙酮酸合成草酰乙酸[41]。

尽管自然界中CO2固定途径中的羧化酶在碳循环中发挥着重要作用，但与固碳还原酶相比，羧化酶的低活性和部分羧化酶的厌氧需求是限制其大规模应用的主要因素，其固碳效率还不足以应用于工业生产。

1.2 可再生能源耦合酶催化反应

固碳酶多为氧化还原酶，在催化反应时需要辅助因子NAD(P)H 提供还原力。NAD(P)H 的价格较为昂贵，通过人工补充消耗的NAD(P)H 是不经济的，因此在生物体外催化固碳时还原力来源是一个关键的科学问题。目前主流研究方向为可再生能源提供相应的还原力。图1为光、电催化酶耦合反应器固定CO2原理。

图1 光、电催化酶耦合反应器固定CO2原理

1.2.1 电化学与酶催化耦合

电化学与酶催化耦合即通过将酶固定在电催化反应器的阴极室中，利用阳极电化学反应分解水产生的电子使NAD(P)+再生为NAD(P)H，从而为酶催化反应提供还原力。在电极溶液中添加NAD+，反应器施加电压反应达到平衡时有超过90%NAD+转换为NADH，游离FDH固定CO2生成甲酸产量达到25mmol/(L·h)，同样条件下未施加电压，NADH 再生率基本为零，也没有甲酸生成[44]。表2总结了电化学耦合酶催化固定CO2的文献。

表2 不同电酶耦合催化相关参数汇总

在电化学NADH再生过程中，通过改变电极的材质与性质，使其催化过程中具有不同的催化电位以及NADH的再生率。在电酶耦合催化中，电子传递的催化电极，以及传递介质的性能是其两个关键因素。根据电子获取能力以及材质的不同可将电极分为感光电极、金属电极、非金属电极等类别。通过不断优化阴极与酶固定化的方式（MOFs 共固定、膜接触、纳米微室共固定等）和对电极液进行调整（如换成天然深共晶溶剂）来不断提高CO2催化效率。

1.2.2 光化学与酶催化耦合

光能也是比较广泛的可再生能源。在光化学反应中，水也是自然光合作用中光反应的主要电子供体，但水的氧化还原反应难度较高，难以在人工光催化系统中得到应用。常见的人工光催化系统的电子供体有三乙醇胺、三乙胺等[54−55]。在电化学反应中，电能可以通过施加外加电压获取，而光能的利用还需要光催化剂对光能进行捕获，激发电子供体产生电子用于NADH 的再生[56]。Woolerton 等[57−58]首次将光催化与CO2的酶促转化相结合后，石墨烯光催化、金属有机框架光催化、纳米颗粒光催化与酶催化耦合相继被报道。表3总结了光化学耦合酶催化固定CO2的文献。

表3 不同光酶耦合催化相关参数汇总

在光化学反应中，光催化剂是比较重要的因素。光催化剂吸收特定波长光子激发电子，电子传递介质将电子递送至NAD(P)+而实现NAD(P)H 的再生，并用于酶催化CO2转化。光催化剂种类与附着基质可影响其性能。具有合适带隙宽度的半导体材料如金属氧化物TiO2、金属硫化物CdS，石墨氮化碳等参入碳、硼、铂等杂元素进行改性，得到的光催化剂再与铑基复合物结合提升其性能。不断地增强其感光性能、增大其感光面积，优化基质材料（纳米管、石墨烯等新基质），大大提高了光催化剂的性能。

1.2.3 多酶级联反应

多酶级联反应是一种将CO2固定生产高附加值产品的一个有效手段。FDH、甲醛脱氢酶（FaldDH）与乙醇脱氢酶（ADH）级联反应生成甲醇是多酶级联固定CO2的研究热点。首先FDH将CO2还原生成HCOOH， 接 着FaldDH 将HCOOH 还 原 生 成HCHO，最后再由ADH还原生成CH3OH[13]，这三个过程均需要消耗辅助因子NADH 且均为可逆反应，因此如何提高NADH再生、控制反应的方向是研究重点。Stefanie Schlager 等[67]以碳毡作为电极材料，利用海藻酸盐−硅酸盐杂化凝胶基质将上述三种酶固定在电极上，电解条件下产生0.15mg/kg 甲醇，法拉第效率约为10%。Yadav 等[59]通过在石墨烯基光催化剂基础上顺序偶联了这三种酶，在可见光催化下，将CO2转化成了甲醇。得到的甲醇产物还可以通过再次酶联反应将其转化为乙二醇、乙醇酸和赤藓糖等多碳链化合物[68]。Miller 等[69]将光驱动与CETCH（巴豆酰辅酶A/乙基丙二酰辅酶A/羟基丁酰辅酶A）循环途径相结合，实现了将CO2转化为乙酸的功能，体外通过光耦合酶级联反应模仿了“叶绿体”的功能。

1.3 提高可再生能源耦合酶催化反应效率的手段

可再生能源耦合酶催化反应效率主要受到酶活性及电子介质的影响。酶在体外反应时其活性与稳定性会受到反应环境温度、pH 等因素的影响，从而引起催化效率降低，特别是在使用氧敏感性CO2还原酶的情况下，如何防止反应系统中的氧化活性物质影响酶的稳定性与活性是一个重要问题。可再生能源激发电子生成，电子在传递过程中会不可避免的损失，同时NADH 的再生速率也会有所降低，选择和合理设计电子介质可以提高电子传递效率同时减少电子损失。

1.3.1 提高酶的稳定性——酶的固定化

可再生能源耦合酶催化固定CO2过程中，在电化学或光化学体系里，酶的活性或稳定性显得尤为重要，而酶的固定化是一个保持酶活的有效手段。与游离酶相比，将酶包裹于多孔材料之中构建生物阴极使得酶pH 稳定性、热稳定性及催化效率大大提高，Chen 等[44]将CbFDH 固定于多孔材料金属有机骨架NU−1006 中得到复合酶，测得复合酶在pH4−7的范围均有较高活性，NADH转化效率大约是游离FDH 的三倍，甲酸产量也是游离FDH 的三倍以上。同样地，将CbFDH 固定在纳米碳中，限制在纳米多孔碳中的酶保留更多的酶活性，甲酸的产率也更高[70]。在金属有机骨架NU−1006中固定化FDH，实现了光催化下二氧化碳的固定[71]。余森申等[6]将光催化石墨化氮化碳（g−C3N4）与CA和FDH结合在一起，包裹在多孔金属有机框架ZIF−8 中，在可见光照射下实现了NADH的高效原位再生，同时降低了对酶活性的损伤。将FDH 固定在具有亲疏水界面的载体纤维素膜的疏水层上，构建CO2（气体）、H2O（液体）和固定化酶（固体）高效三相接触来进行酶催化，甲酸产量提高9.5mmol/L[72]。对CA 进行固定化可以增强其对CO2的吸附转化能力，近日Rasouli 等[73]报道了一种利用磁性纳米颗粒的膜结合共固定法对人碳酸酐酶进行固定化，并对其吸收转化能力进行了表征。

1.3.2 降低酶氧敏感性的影响

电化学反应会产生氧化活性物质如O2，可损害氧敏感性酶如CODH[20]。因此如何避免反应过程中氧化活性物质导致CODH失活是利用CODH固定CO2的一个难题。氧化还原水凝胶对O2具有还原催化活性，在水凝胶中嵌入酶并沉积在电极上形成薄膜，固定在薄膜内的酶可免受O2的影响[74]。Zhang 等[19]将CODH、聚甲基丙烯酸稳定的银纳米簇（AgNCs−PMAA）和TiO2纳米颗粒组合构建了一个水胶体体系，催化CO2在可见光驱动下转换为CO，CODH稳定性也有所提高。

1.3.3 电子介质的影响

NAD2二聚物的生成导致NADH 的损失进而影响固碳效率，氧化还原介质作为氢化物转移剂可以抑制NAD2的生成，常见的氧化还原介质包括钛（Ti）、铑（Rh）、镍（Ni）和铂（Pt）等过渡金属的络合物。其中Rh络合物是最常用的电子介质[75]，在石墨烯基上加入该物质作为电子媒介构建高效的石墨烯基可见光活性生物耦合催化系统，NADH再生率提高50%[76]。但Rh 价格较为昂贵，因此在未来的研究中可以对介质来源进行大范围的筛选及创新，以望可大幅度降低酶催化的成本，加速酶催化转化CO2逐步走向工业化。

光驱动NADH再生最大的问题之一是光催化剂表面转移的电子利用率低，NADH再生速率低，远低于酶促再生速率[77]。光诱导的电子大多数从非均相半导体粒子转移到均相电子、质子介质，这一步会造成电子转移损失。将电子介质锚定在骨架材料上，提高光催化剂表面积与电子介质中心的接触率是一种提高电子利用率的手段。如将Rh 复合物（电子介质Rh 与光催化剂MIL−125−NH2复合）锚定在MOF 上，光催化结果表明电子转移效率有明显提高[72]。将Rh 复合物[Cp*Rh(bpy)H2O]2+锚定在单宁酸/聚乙烯亚胺（TA/PEI）胶层介导的聚合氮化碳（PCN）上，在可见光照射下，电子利用效率比PCN提高了1.3倍[78]。

2 微生物固定CO2

2.1 微生物电合成固定CO2

2.1.1 微生物电合成固碳原理

微生物电合成（microbial electrosynthesis，MES）是一种潜在的可持续生物电化学过程，在此过程中电力为微生物提供还原力与能量，可在环境温度和压力下将可再生电能转化为易于储存的化学品[79]。MES原理如图2所示，阳极进行氧化反应，产生电子、质子和氧化活性物质如氧气、过氧化氢；阴极微生物接收电子通常利用卡尔文循环或Wood−Ljungdahl途径固定CO2[80−81]。

图2 微生物电合成系统固定CO2

电子从阳极转移到阴极微生物的过程在微生物电合成固碳中至关重要。转移机制主要有三种，分别为直接电子转移（DET）、介导电子转移（MET）以及间接电子转移（IET）[71]。直接电子转移即微生物与电极直接接触，通过细胞表面电子转移蛋白直接利用电子，目前已经确定了孔蛋白细胞色素复合物、细胞表面细胞色素、导电纳米线和其他氧化还原蛋白如铜和铁硫蛋白负责电极和细胞表面之间的电子转移[71,80]。介导电子转移即利用电活性分子在微生物和电极之间介导电子转移，甲基紫精（MV）、蒽醌−2,6−二磺酸酯（AQDS）和有机染料中性红（NR）是常用的人工电活性分子，且介导电子转移还可以使NAD(P)H再生[82]。间接电子转移通常是借助H2的转移，当阴极负电位足够低时，电子和H+生成H2，从而被某些可以直接利用H2的微生物利用，如产甲烷菌[83]。

许多电活性菌株（如产甲烷菌、甲基杆菌、产乙酸菌等[84]）能够耐受低电压，也可以导电并利用电子作为能源，可以从环境中直接分离出来，用于构建MES 生产简单的一碳产物如甲酸、甲烷、甲醇。Florian Mayer 等[83]从海上油田和产甲烷沼气池中分离出不同的产甲烷菌构建MES，多种菌株具有电活性，产物为甲烷，其电子转移机制为间接电子转移与直接电子转移同时存在。Jungho Jang等[85]利用甲基杆菌AM1 （Methylobacterium extorquens,AM1）作为全细胞生物催化剂，通过基因重组与钨酸盐的添加提高其FDH 的表达水平，以甲基紫精作为人工电子介质，CO2为碳源，在MES中甲酸盐产量达到2.53mmol/(L·h·g)细胞重量，是野生型菌株的2.5 倍。表4 总结了不同微生物电合成发酵固定CO2的文献。不同的培养菌株，阴极材料以及所加的电位大小、环境pH、电子传递介质等都会对MES 系统造成影响。对单菌纯培养与多菌混合培养的电传递机理的深入研究也能极大帮助人们提高MES的电传与底物转化效率。

表4 不同微生物电合成发酵利用CO2相关参数汇总

2.1.2 提高MES固碳能力的手段

随着相关研究的推进，CO2固定获得简单的C1、C2产物已不是难题，而若要满足大规模工业应用的需求，获得更好的市场，则需要构建可持续的、稳定高效的固碳系统，得到碳链更长、附加值更高的固碳产物。

2.1.2.1 MES固碳效率及稳定性的提高

（1）提高电子转移率。电流密度低、电子转移率低是MES 的一个缺陷，微生物催化剂和阴极之间的相互作用是MES 的核心组成部分。电子转移效率主要受到两个界面的影响：一个是电极界面，微生物与电极表面附着紧密，但直接电子转移只能发生在靠近电极界面的一层或几层微生物；另一个界面是微生物界面，涉及微生物菌群、生物膜基质、代谢物、信号分子交换等因素[104]。目前已经有多种材料被用于研究提高电子转移效率，如具有层次化结构的纳米材料，其多孔结构和大表面积为生物膜提供了适当的空间，使电极与微生物紧密接触[105]，将高导电性聚合物聚吡咯（PPy）原位包覆在细菌表面，并将包覆后的细菌接种在MES 的阴极上形成微生物包膜，乙酸产量和法拉第效率提高了3～6 倍[106]。以镀镍钼为材料3D 打印生物阴极，使得阴极比表面积更大，即使在低电流密度下也能实现高库仑效率，同时还可以减少气泡的生成[107]。Tan等[108]系统地概括了电催化的关键因素，包括电极、电催化剂、电解液配置等，这些因素都影响电子转移速率。

（2）减少系统产生氧化活性物质对微生物的影响。产生对菌体有害的氧化活性物质是MES 的一个缺陷，从产物选择方面进行设计是一种较好的解决思路，如改造菌株使其生产强抗氧化性产物或中间体，利用自身代谢降低氧化活性物质的损害[91]；也可以通过自适应实验室进化来筛选耐氧性高的菌株突变体[109]。此外，在反应体系中加入抗氧化活性的物质也是一种有效的方式，如植物中的多酚物质（如黄酮类、蒽醌类等）[110]。Li 等[111]通过添加大黄提取的蒽醌物质改善生物电化学系统中的电子传递与生物解毒作用，增强了微生物活性。

（3）利用微生物群落的稳定性。微生物群落具有稳定性更高的特征，同时可利用菌群之间的相互作用，如物种间直接电子转移或互养作用可以有效提高系统稳定性和产品产量，利于CO2的固定。另外由微生物群落组成的MES 可以在开放式系统中进行，避免了高成本、高难度的无菌操作。例如，利用啤酒厂废水中微生物群体耐受性来生产短链醇、酸，通过降低阴极电解质的pH 来筛选微生物组，系统持续运行150天，且乙酸产量得到明显提高[112]。在相同的实验装置中比较产甲烷菌和产乙酸菌的纯培养和混合培养的甲烷产量，混合培养的甲烷产量提高3倍，乙酸产量提高近2倍[113]，进一步证实了微生物群落电合成固定CO2的积极影响。

2.1.2.2 基因工程提高产物附加值

利用基因工程手段对固碳途径进行改造或优化，可以使微生物合成碳链更长、附加值更高的产品，如萜烯、抗氧化剂等。富养罗尔斯通氏菌（Cupriavidus necator）可从H2中获取能量，从CO2中获取碳，可将大部分供给的CO2固定到生物质中[114]。通过对该菌株的代谢通路改造后，在MES中实现了自养生长并获得C3+化合物产品，如α−葎草烯[92]、番茄红素[91]、蔗糖、多羟基烷酸酯（PHA）和低聚糖（LCO）[115]。在大肠杆菌中构建甘氨酸与丝氨酸循环，并将电催化与生物系统集成耦合CO2转化，利用甲酸与CO2参与循环生成丙酮酸[88]。在枯草芽孢杆菌中，利用定向进化技术筛选到突变的丙酰辅酶A 羧化酶（PCC），活性提高了94倍。该酶可用于构建新的琥珀酸生物合成途径，通过固定两分子CO2从乙酰辅酶A 生产琥珀酸[116]。对于缺乏改造工具的CO2固定优势菌株如乙酰杆菌，开发新的基因工程工具对其进行代谢途径改造，可以进一步提高其碳固定率[117−118]。

2.2 微生物光催化固定CO2

2.2.1 天然光合作用固定CO2

天然光合作用包括光反应和暗反应阶段，在光反应中，光能将水分解成质子、电子和氧气，进而合成NADPH 和ATP 以支持生物体的代谢需求。在暗反应中，生物体利用NADPH 和ATP，通过卡尔文循环将CO2还原为碳水化合物[119]。

微藻是能够进行光合作用并且以CO2为唯一碳源实现自养的微生物，贡献了全球范围内50%以上的生物固碳量，具有光能利用率高、经济效益高等优势[120]。目前微藻被广泛研究用于生产生物燃料如丁醇[121]、脂肪酸[122]、生物柴油[123]等，还可以生产抗氧化剂叶黄素[124]。对于如何提高微藻光合作用的能力，王松等[125]在其综述中进行了较为全面的总结，包括捕光天线的改造、相关酶的优化等。

2.2.2 人工光合作用固定CO2

人工光合作用以天然光合作用为模板，在光反应阶段需要光催化剂进行光能的捕获与电子的激发以产生还原当量，在暗反应阶段需要卡尔文循环或者其他固碳途径，即需要固碳生物还原CO2[15]。表5 总结了人工光合作用固定CO2的光催化剂和固碳微生物。

表5 人工光合作用的催化剂与固碳微生物总结

光催化剂吸收和捕获光能产生电子−空穴对，电子或被细胞蛋白摄取，或用于还原质子生成H2被菌体间接利用[136]。接收电子或H2后，大多数可以自养生长的光敏细菌通过卡尔文循环[133]或者Wood−Ljungdahl 途径[135]还原CO2；对于异养微生物，需要构建异源途径实现CO2固定，如Hu等[5]在大肠杆菌中构建了half−Wood−Ljungdahl−formolase途径（HWLS），在细胞膜上成功表达外源金属蛋白PbrR 及CdS 纳米粒子的自组装，实现光能驱动大肠杆菌固定CO2同时提高了L−苹果酸和丁酸的产量。光催化剂产生的电子被细胞利用，而空穴会造成细胞毒性和氧化环境，因此采用合适的牺牲剂十分重要，典型的牺牲剂有半胱氨酸、抗坏血酸和HEPES等[136]。

人工光合作用常见的光催化剂为无机催化剂，如CdS[128]、AuNCs[132]、InP[137]、g−C3N4[133]等，其 中CdS为典型的光催化剂材料，但其吸收光谱为紫外区域，对人类及环境有害；InP、g−C3N4催化剂的吸收光谱为可见光，可获得更高的光强[136]。有机光催化剂有更好的生物相容性，Gai 等[135]以有机半导体苝二酰亚胺衍生物（perylene diimide derivative，PDI）和聚芴−联苯（fluorene−co−phenylene，PFP）作为光敏剂包覆在细菌热醋穆尔氏菌（Moorella thermoacetica）表面，乙酸产量与无机生物杂交种系统相当，生物相容性更好。而Huang等[130]将沼泽红假单胞菌与巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）共培养，沼泽红假单胞菌作为生物光催化剂利用硫代硫酸钠作为电子供体进行无氧光合作用，并在细胞外将电子转移到巴氏甲烷八叠球菌以驱动甲烷生成，产量略高于典型半导体−生物杂交体系，且不存在生物毒性与相容性问题。

除了光催化剂与微生物直接杂交构成的人工光合作用系统之外，还可以将导电材料与微生物耦合，再与光伏设备结合构成光化学电池还原CO2，且光化学电池较光催化剂与微生物直接耦合而言稳定性更高，可持续生产能力也更强。Su 等[138]将硅纳米线与卵形鼠孢菌（Sporomusa ovata）杂交，使细菌在紧密排列的纳米线阵列中与光伏设备相结合，在一周内可以稳定生产乙酸，并且可以优化电解液pH 提高生物相容性。Cestellos−Blanco 等[139]将卵形鼠孢菌和沼泽红假单胞菌共培养在高表面积硅纳米线阴极，由光伏器件驱动的太阳能−化学完全转换，得到了醋酸和含氮化合物，协同培养形成了菌群系统，培养时间超过1个月。

3 可再生能源耦合生物催化固定CO2的优缺点总结

可再生能源耦合生物催化固定CO2具有温和、选择性高的优点，但酶在体外坏境的稳定性、活性等会受到许多环境因素的影响，且许多固碳酶是氧敏感性的，因此酶需要经过修饰才能大规模使用。而对于微生物而言，许多野生型固碳微生物或经基因工程改造的固碳微生物不具有氧敏感性，且微生群落也有一定的稳定性，并且对代谢途径进行设计优化还可以合成附加值更高的产物，因此可再生能源耦合微生物固定CO2的稳定性相对较好，产品转化能力更强。但较操作条件而言，酶法固定CO2不需要严格的无菌环境，而在微生物固碳系统中，杂菌可能会竞争固碳菌的资源，影响固碳效率，因此无菌环境尤为重要。不管是酶法固定CO2还是微生物固定CO2，与可再生能源驱动辅助因子再生耦合时都存在协同性较差的问题，如何提高协同效率需要进一步研究。

传统的辅助因子再生策略有酶再生、化学再生等。酶再生是工业上唯一使用的辅助因子再生方法，能耗低且与目标生物转化具有良好的相容性，但酶的成本高、不稳定，且容易生成副产物。化学再生即利用盐或辅助因子类似物的高氧化还原电位将NAD（P）+还原为NAD（P）H，但高浓度的盐会导致酶失活[140]。可再生光能、电能驱动辅助因子再生具有可持续、可再生、清洁、成本低等优势，通过选择和优化电极材料、光捕获材料等提高辅助因子的再生效率，如果能进一步提高与生物催化剂之间的协同效率，那么可再生能源驱动辅助因子再生耦合生物法固定CO2将会有很大的应用前景。

4 结语

日益增加的碳排放带来了各种资源与环境问题，使得碳减排、捕获与回收利用等成为了目前的研究热点。尤其是利用可再生能源驱动的生物催化固定CO2更是广受关注，但仍具有诸多瓶颈与挑战。

首先，对于原料来源，大气中的CO2浓度虽然在快速提升[141]，但这对于通过微生物与酶催化转化来说还远远不够，因此大力发展碳捕获技术是关键之一。针对这一问题，耦合体系将发挥重要的作用，如发展新型耦合材料进行原位碳捕获，形成原位碳捕获与碳转化体系；提升材料催化特异性，如特异性催化CO2与HCO−3（可由CA 酶转化CO2所得）；开发廉价催化剂转化CO2制备甲酸、甲醇、乙酸、乙醇等C1、C2产物便于下游转化。

其次，对于固碳酶，目前发现的具有固碳功能的酶分子大多具有以下特征：催化效率低[142]，特异性差[1]，能量需求大[143]。所以得到高效的固碳酶是生物催化固定CO2的关键点和难点。具体可以考虑如下技术手段来改进酶的性能：①随着技术方法的快速发展，如Alphafold 相关技术的诞生，固碳酶分子的理性与半理性设计备受研究人员青睐，但仍需继续关注对非理性技术方法的应用；②非常规条件下新菌种的探索与固碳分子机制的研究，这一方面国内的李寅教授团队通过对不同物种的RuBisCO酶进行筛选，得到了高效的固碳酶分子并进行了相关的应用[144−145]，有研究团队发现了一种细菌（Hippea maritima）可在富含CO2的环境下高效生长，通过对机理的剖析，发现了新的固碳酶分子[146]；③人工固碳酶的开发，随着不同固碳酶机理的深入探索与研究和分子技术的不断发展，本文作者思考可结合各个固碳酶的分子机制研发出一种全新的人工固碳酶来实现高效的CO2转化，这可能将是未来探索研究的重要方向之一。

最后，对于可再生能源驱动的耦合固碳这类跨学科研究体系，也有诸多挑战值得思考。在光能利用方面，新材料的开发十分重要，目前关注度较高的为硫化镉（CdS）[147−148]与磷化铟（InP）[149]；在光反应过程中，光子经材料激发电子，随之会产生空穴，那么牺牲剂的选择也至关重要，研究开发新型高效、廉价牺牲剂也是光催化的重要一环；在辅因子再生过程中，需要添加贵金属催化剂从而辅助辅因子的正确再生，这将提升整体催化过程中的成本，开发新型材料从而减少或不添加辅助催化剂完成一锅法催化转化CO2将是推进光催化耦合体系迈向应用的重要研究方向。近期，Nielsen教授团队[108]在电能耦合体系相关方面进行了较为详细的总结。

总之，在可再生能源驱动的生物催化固定CO2领域，仍有诸多难点需要研究人员不断地深入探索与研究，在此也呼吁各相关领域的专家为此开展跨学科研究，发挥跨学科优势，助力实现碳中和甚至负碳排的绿色生物制造。