近日，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的一組研究人員進行了一項非常有意義的實驗，他們在改造了基因結(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、內(nèi)燃機燃料的異丁醇和異戊醇，使二氧化碳實現(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，同時又能保護現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，在一定程度上緩解全球變暖危機。這項技術(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?對此，記者采訪了中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所生物資源中心副研究員陳曉華。
用細菌“拼裝”碳元素溫室氣體重獲“新生”
近日一項美國加州大學(xué)公布的研究讓人們眼前一亮，這是一項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，對一種名為富養(yǎng)羅爾斯通氏菌H16的微生物進行了基因改造，使用二氧化碳作為單一碳來源，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，應(yīng)該說合理利用二氧化碳已成為世界各國普遍關(guān)注的研究課題，二氧化碳是碳氫化合物燃燒的最終產(chǎn)物，性質(zhì)極為穩(wěn)定不易活化。近年來人們采用多種方法(如均相和多相催化加氫、電催化、光催化、熱解、生物活化等)對二氧化碳進行活化，取得了長足的發(fā)展，并合成出甲烷、甲醇、甲酸等有機化合物或高分子化合物。這項研究就是利用生物技術(shù)對二氧化碳進行了活化。
那么，二氧化碳變?nèi)剂闲枰?jīng)歷什么樣的過程?
陳曉華表示，從本質(zhì)上來講，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員的這個實驗就是通過一種電生物反應(yīng)器來將電能轉(zhuǎn)化為液體燃料，整個過程類似于生物系統(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)能并將能量儲存起來的一種化學(xué)反應(yīng)過程，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)境下進行，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能;而暗反應(yīng)就是將吸收來的二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖的過程，這個過程是不需要有光的。研究人員就是通過把生物光合作用的兩大部分分開進行來制造新燃料的：首先，利用太陽能電池板將太陽能轉(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驅(qū)動富養(yǎng)羅爾斯通氏菌H16固定二氧化碳產(chǎn)生燃料，實現(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自動裝配生產(chǎn)線：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)作為流水線的傳送帶和自動機器人手，以二氧化碳作為原料或零件，將其拼裝成4個碳或5個碳的含高能量的有機化合物，最終形成如異丁醇和異戊醇等有機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“儲量豐富”。二氧化碳通常是由燃燒有機化合物、細胞的呼吸作用、微生物的發(fā)酵作用等所產(chǎn)生的。根據(jù)聯(lián)合國披露的最新數(shù)據(jù)顯示，近年來由于工業(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。但是在這個可以緩沖的區(qū)間中，存在某一個特定的壓力和溫度，使該種生物代謝出的產(chǎn)物量達到最大。
這種微生物生存、繁殖等的能量來源是什么?該菌可以有兩種代謝方式，化能自養(yǎng)以及化能異養(yǎng)。即在該生物攝取營養(yǎng)時，依靠營養(yǎng)物質(zhì)在細胞內(nèi)進行化學(xué)暗反應(yīng)而獲得能量。或者使用有機物氧化分解作為能量來源，進行異養(yǎng)代謝。
二氧化碳轉(zhuǎn)化出來的產(chǎn)物主要是異丁醇和異戊醇。
異丁醇是四個碳的醇，它可作為平臺化學(xué)品，具有廣泛的用途，可生產(chǎn)約40%的石化產(chǎn)品和100%的烴類燃料。所以說異丁醇可作為一種替代汽油的內(nèi)燃機燃料。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短效血管擴張劑。異戊醇也用來合成鎮(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。
長久以來，許多科學(xué)家為解決全球變暖問題，設(shè)計和實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，以這項技術(shù)為代表的“碳捕獲和利用”可以克服“碳捕獲和存儲”的諸多缺陷，如難以找到足夠的地下存儲空間、泄露風(fēng)險、長期責(zé)任問題及公眾接受度問題。
而且，利用它創(chuàng)造價值也有助于補償碳捕獲的開銷。通過碳回收制造液態(tài)燃料對于社會的可持續(xù)發(fā)展也具有重大意義，它有助于降低對石油的依賴。
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題，根本解決這個問題還需要從各個方面共同努力，比如減少化石燃料的使用、開發(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。
融多項科技于一身新技術(shù)締造光明未來
在科技高速發(fā)展的今天，各學(xué)科“百花齊放，百家爭鳴”，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，以及高級醇的合成，都為電力驅(qū)動二氧化碳向多種化學(xué)物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化開啟了可能。此外，甲酸鹽轉(zhuǎn)化為液體燃料也將在生物質(zhì)煉制過程中發(fā)揮重要作用。
這幾項技術(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)，同時要解決化石燃料使用帶來的一系列問題。
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)實現(xiàn)，只是這個過程相比較于電氣化學(xué)更溫和。在這兩個過程中都涉及到了電子的轉(zhuǎn)移和傳遞過程，因此通過電力驅(qū)動電子的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)向的電子受體不同就會產(chǎn)生不同的化學(xué)物質(zhì)。
在電化學(xué)的過程中，酶催化反應(yīng)的速度很快，但是不穩(wěn)定;而生物學(xué)的過程中，酶催化反應(yīng)穩(wěn)定但速度慢。因此，通過生物學(xué)與電化學(xué)的互補性研究，才推動了這個領(lǐng)域的發(fā)展。
關(guān)于此項技術(shù)的擴展應(yīng)用，陳曉華認為，這項技術(shù)是通過電力來取代生物體中的電子轉(zhuǎn)移所帶來的動力。因為生物體中的反應(yīng)慢，而該技術(shù)可以加快反應(yīng)的速度，因此，該方法可以用來加快生物體中的某些氧化還原反應(yīng)。
電能是一種干凈無污染的能源，用電能取代汽油驅(qū)動各種機器是大家共同的心愿。目前一般使用鋰離子電池來儲存電力，存儲密度很低，但當(dāng)以液態(tài)形式存儲燃料時，存儲密度能顯著提升，并且新方法還具備利用電力作為運輸燃料的潛力，而無需改變現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。加州大學(xué)這次提出的將電能儲存為高級醇形式的化學(xué)能的方式，就可能為這個領(lǐng)域的發(fā)展開辟一條新路。現(xiàn)在隨著原油儲量的逐漸減少，汽油的價格也在持續(xù)地上漲，所以像這類的“生物煉油廠”是絕對值得我們投入精力財力來開發(fā)的。
總而言之，依靠二氧化碳實現(xiàn)“反向燃燒”和“閉合循環(huán)”的效益是無比誘人的。由此，我們既可以生產(chǎn)像汽油一樣的燃料，同時又能保護現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。
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