環(huán)境生物學(xué)課件-CO2固定

微生物固碳及其在CO2吸收與資源化中的應(yīng)用12ApplicationofCarbonFixationMicro-organismsinAbsorptionandResourcesofCO23CO2與重大環(huán)境問題CO2固定及其資源化技術(shù)微生物固碳原理及其應(yīng)用1.CO2與全球重大環(huán)境問題圖1.1全球人為溫室氣體排放1.1CO2排放量不斷增長(zhǎng)1.CO2與全球重大環(huán)境問題1.1CO2排放量不斷增長(zhǎng)工業(yè)化前的穩(wěn)態(tài)全球C循環(huán)海洋酸化1.2CO2引發(fā)的全球溫室效應(yīng)及其次生問題

模式僅考慮自然強(qiáng)迫的模擬結(jié)果；模式同時(shí)考慮自然和人為強(qiáng)迫的模擬結(jié)果；觀測(cè)結(jié)果圖1.2全球和大陸溫度變化1.CO2與全球重大環(huán)境問題莫納羅亞（紅色曲線）和南極（黑色曲線）觀測(cè)到的大氣CO2濃度1.CO2與全球重大問題

土壤荒漠化海平面上升災(zāi)害天氣頻發(fā)

生物多樣性減少土地荒漠化

1.2CO2引發(fā)的全球溫室效應(yīng)及其次生問題

災(zāi)害天氣頻發(fā)生物多樣性減少海平面上升●

CO2的捕集/利用/封存方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法2.CO2固定及其資源化技術(shù)●

物理法有冷卻分離、地質(zhì)封存、海洋封存和吸收液吸收等等(1)冷卻分離：利用CO2具有在31℃、7.39MPa下液化的特點(diǎn)，對(duì)煙氣進(jìn)行多級(jí)壓縮和冷卻可使CO2液化得以分離。(2)地質(zhì)封存：是直接將CO2注入地下的地質(zhì)構(gòu)造當(dāng)中，如油田、天然氣儲(chǔ)層、含鹽地層和不可采煤層等都適合CO2的儲(chǔ)存。與地質(zhì)封存關(guān)聯(lián)的另一種處理方式是CO2的再利用。即將CO2注入正接近枯竭的油田以提高石油采收。(3)海洋封存：利用目前CO2的海洋封存主要有2種方案：一種是通過船或管道將CO2輸送到封存地點(diǎn)，并注入1000m以上深度的海中，使其自然溶解；另一種是將CO2注入3000m以上深度的海里，由于CO2的密度大于海水，因此會(huì)在海底形成固態(tài)的CO2水化物或液態(tài)的CO2湖，從而大大延緩了CO2分解到環(huán)境中的過程。(4)液體吸收：通過改變CO2與吸收液之間的壓力和溫度可以達(dá)到吸收CO2的目的。常用的吸收液有丙烯酸酯、甲醇、乙醇、聚乙二醇等高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑，其吸附能力取決于操作溫度和壓力，氣體的分壓越高或溫度越低，系統(tǒng)的吸收能力就越強(qiáng)。

2.CO2固定及其資源化技術(shù)2.1物理法●

化學(xué)法有礦石碳化、吸收法、化學(xué)合成等(1)礦石碳化：是利用CO2與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的碳酸鹽從而將CO2永久性地固化起來(lái)。(2)吸收法：則主要采用堿性溶液對(duì)CO2進(jìn)行溶解分離。然后通過脫析分解分離出CO2氣體同時(shí)對(duì)溶劑進(jìn)行再生，典型的化學(xué)吸收溶劑主要是K2CO3水溶劑（再加少部分胺鹽或釩、砷的氧化物）和乙醇胺類水溶液（如MEA、DEA和MDEA等）。(3)化學(xué)合成：包括合成環(huán)狀碳酸酯、碳酸二甲酯(DMC)、環(huán)狀尿素和環(huán)狀尿烷。CO2加入到環(huán)氧化物中合成環(huán)狀碳酸酯已經(jīng)工業(yè)化，但催化劑的研制工作仍在繼續(xù)。2.2化學(xué)法2.CO2固定及其資源化技術(shù)●

生物法固定CO2主要靠植物和微生物的作用?！窬G色植物光合作用是地球上最為普遍、規(guī)模最大的反應(yīng)過程，在有機(jī)物合成、保持碳循環(huán)的穩(wěn)定等方面起很大作用。根據(jù)高等植物光合作用碳同化途徑的不同，可將植物劃分成為C3植物、C4植物、C3－C4中間植物等。●

微生物固碳的環(huán)境適應(yīng)性高于植物。固碳效率是植物的5－10倍?！?/p>

影響生物固碳效率的主要因素為固碳途徑及其關(guān)鍵酶的活性以及CO2固定過程中所需能量的有效供給2.CO2固定及其資源化技術(shù)2.3生物法3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

3.1固定CO2微生物種類表3.1固定CO2的微生物種類碳源能源好氧／厭氧微生物二氧化碳光能好氧藻類藍(lán)細(xì)菌厭氧光合細(xì)菌化能好氧硝化細(xì)菌氫-氧化細(xì)菌硫化細(xì)菌鐵細(xì)菌錳細(xì)菌一氧化碳細(xì)菌厭氧甲烷菌醋酸菌3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

3.2微生物固定CO2主要途徑●

自養(yǎng)微生物通過生物氧化（包括氧化磷酸化、光合磷酸化和發(fā)酵）獲取能量用于CO2的固定并以此作為自身生長(zhǎng)繁殖的碳源。●

至今了解的微生物固定CO2途徑主要有5條，即Calvin循環(huán)途徑、厭氧乙酰－CoA途徑、逆向TCA循環(huán)、3-羥基丙酸/蘋果酰-CoA循環(huán)(3-羥基丙酸/4-羥基丁酸酯循環(huán))、和甘氨酸途徑，分布在不同種屬的微生物中。

●

卡爾文循環(huán)是植物最主要的固碳途徑，植物能利用其合成淀粉等產(chǎn)物。大致可分為三個(gè)階段，即羧化階段、還原階段和再生階段。而卡爾文循環(huán)也是微生物固定CO2的重要途徑。3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

3.2.1Calvin循環(huán)

*圖中①為核酮糖二磷酸羧化酶；②為磷酸核酮糖激酶Calvin循環(huán)的總式為：6CO2+12NAD(P)H2+18ATP→C6H12O6+12NAD(P)+18ADP+18Pi

3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

3.2.2逆向TCA循環(huán)

3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

3.2.3羥基丙酸途徑

3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

3.2.4厭氧乙酰－CoA途徑*圖中THF為四氫葉酸3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

3.2.5甘氨酸途徑

3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

3.2.6不同微生物固定CO2主要途徑1.Calvin循環(huán)2.逆向TCA循環(huán)3.厭氧乙酰-CoA途徑和甘氨酸途徑4.3-羥基丙酸/蘋果酰-CoA循環(huán)5.3-羥基丙酸/4-羥基丁酸酯循環(huán)環(huán)境中的微生物固碳可能是多種微生物的多個(gè)固碳途徑的共同作用藻類氫－氧化細(xì)菌經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高產(chǎn)微藻能源需光照培養(yǎng)不耐高CO2濃度生長(zhǎng)速率快環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

但培養(yǎng)中需要通入氫氣3.3微生物固定CO2的應(yīng)用研究3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

3.4微生物固碳技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

●篩選在普通環(huán)境下高效固碳的微生物●開發(fā)高效的生物反應(yīng)器●基因工程菌（關(guān)鍵酶）●高效電子供體的研究與開發(fā)●耦合固碳工藝(1)研究目的：處理工業(yè)廢氣(10％~20％CO2)土壤改良(2)研究意義：不僅可以起到減排工業(yè)CO2的目的，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)CO2的減排（土壤中二次固碳），是解決土壤荒漠化的可能途徑。3.5不用供氫與光照的固碳微生物

3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

(3)非光合固碳微生物的選育

非光合固碳微生物樣品來(lái)源：黃海、東海、南海、南極海域的海水和沉積物（南極樣品由極地所南極考察隊(duì)提供)。

3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

(4)非光合固碳微生物的馴化

好氧及厭氧條件下馴化

馴化時(shí)間好氧厭氧馴化6個(gè)月約50％37％微生物馴化后固碳能力增長(zhǎng)量

3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

(5)非光合固碳微生物的工藝優(yōu)化

圖2.3好氧狀況下培養(yǎng)4d菌群TOC值(空白加硫酸銨）

不同電子供體的影響3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

不同篩選地的DGGE圖譜

（6）非光合固碳微生物菌群的結(jié)構(gòu)

3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

加入不同電子供體的DGGE分析

割膠條帶序列長(zhǎng)度／bpGenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中最相似菌種名稱（序列號(hào)）相似度／%1-3189Unculturedbacteriumclone(EU509144)962-4169Marinebacterium'Isolate5'(AY082665)983-10169Unculturedbacterium(EU574677)984-1169MarinebacteriumHP22(AY239006)995-2189Unculturedbacterium(AY328485)976-5190Unculturedbacteriumclone(EU857874)907-5194UnculturedPseudomonassp.(AF467304)1008-3189Unculturedbacterium(EU652656)969-3169AlphaproteobacteriumDG1293(DQ486505)9910-5169UnculturedThioclavasp.(EU167470)9811-3169Unculturedgammaproteobacterium(AY711683)9912-1194UnculturedStenotrophomonasbacterium(EF562149)9813-5169Unculturedbacterium(AB244004)9814-7169MarinealphaproteobacteriumRS.Sph.020(DQ097294)9915-2194Unculturedbacterium(EF034329)9716-7169MarinebacteriumSE83(AY038922)99DGGE條帶的序列比對(duì)結(jié)果3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

優(yōu)勢(shì)菌的系統(tǒng)發(fā)育樹

（7）混合固碳微生物的優(yōu)勢(shì)混合微生物形成一個(gè)二氧化碳同化系統(tǒng)，微生物間可能產(chǎn)生共生效應(yīng)（能量代謝與合成代謝的協(xié)同）

3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

不同電子供體的菌群結(jié)構(gòu)（a來(lái)源于海水；b來(lái)源于土壤；c相似性）AutotrophicMicroorganismsCO2OrganicsCellularcomponentsExopolysaccharideHeterotrophicMicroorganisms12345CellularcomponentsOrganics（8）混合電子供體間交互作用3.微生物固碳及其資源化技術(shù)

多種電子供體間存在交互作用（促進(jìn)或者相互抑制）某一混合電子供體的固碳效率遠(yuǎn)高于三種單一電子供體固碳效率的加合