環(huán)境生物學(xué)co2固定

1、微生物固碳及其在CO2吸收與資源化中的應(yīng)用,Application of Carbon Fixation Micro-organisms in Absorption and Resources of CO2,CO2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,1.1 CO2排放量不斷增長(zhǎng),1. CO2與全球重大環(huán)境問題,1.1 CO2排放量不

2、斷增長(zhǎng),工業(yè)化前的穩(wěn)態(tài)全球C循環(huán),海洋酸化,,1.2 CO2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,,1.2 CO

3、2引發(fā)的全球溫室效應(yīng)及其次生問題,生物多樣性減少,● 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℃、7.39 MPa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)

4、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1000

5、m以上深度的海中，使其自然溶解；另一種是將CO2注入 3000 m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

6、 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

7、 性地固化起來。(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。

8、 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?！?綠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?！?

9、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。● 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,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

10、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

11、定CO2的重要途徑。,,3. 微生物固碳及其資源化技術(shù),3.2.1 Calvin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

12、.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)

13、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)

14、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

15、光合固碳微生物的馴化,好氧及厭氧條件下馴化,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)4 d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,DGGE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)

16、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 來源于海水；b 來源于土壤； c 相似性）,,,,,Autotrophic Microorganisms,,CO2,,Organics,,Exopolysaccharide,,Heterotrophic Microorganisms,,,1

17、,2,3,4,5,,,,Organics,,,（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 （能量的供應(yīng)效率和有效性）,非光合固碳微生物的高密度培養(yǎng),高傳質(zhì)低能耗的生物反應(yīng)器