2025-03-13 10:30:07
全球(qiú)变(biàn)暖(nuǎn)的(de)挑(tiāo)战(zhàn)与(yǔ)碳(tàn)固(gù)定(dìng)的(de)新(xīn)希(xī)望(wàng)
随(suí)着(zhe)全球(qiú)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)排(pái)放(fàng)量(liàng)持(chí)续(xù)攀(pān)升(shēng)，如(rú)何(hé)将(jiāng)温(wēn)室(shì)气(qì)体(tǐ)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)有(yǒu)用(yòng)化(huà)学(xué)品(pǐn)成(chéng)为(wèi)科(kē)学(xué)界(jiè)的(de)热(rè)点(diǎn)。C1化(huà)合(hé)物(wù)（如(rú)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)、甲(jiǎ)酸(suān)）作(zuò)为(wèi)碳(tàn)固(gù)定(dìng)的(de)关键原(yuán)料(liào)，其(qí)高(gāo)效(xiào)转(zhuǎn)化(huà)技(jì)术(shù)被(bèi)视(shì)为(wèi)实(shí)现(xiàn)碳(tàn)中(zhōng)和(hé)的(de)“钥匙”。然而，传统生物还原反应依赖昂贵的辅因子NADH，且副产物问题突出，制约了工业化应用。
近日，北京化工大学与德国亚琛工业大学联合团队在《化学科学与工程前沿》发表研究，提出一项革命性技术：利用氢气驱动的氢酶再(zài)生(shēng)NADH，成(chéng)功(gōng)将甲酸高效转化为二羟基丙酮（DHA）。这一突破不仅解决了辅因子再生的经济性难题，还为碳固定技术开辟了一条绿色新路径。
氢酶：自然界的“能量转换器”
NADH是生物还原反应中的“能量货币”，但其高昂成本限制了工业应用。传统方法通过葡萄糖或甲酸再生NADH，但会产生大量副产物，且能效低下。研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)另(lìng)辟(pì)蹊(qī)径，选(xuǎn)择(zé)了(le)一(yī)种(zhǒng)名为(wèi)[NiFe]-氢(qīng)酶(méi)（SH）的(de)天(tiān)然(rán)催(cuī)化(huà)剂(jì)。这(zhè)种(zhǒng)酶(méi)能(néng)够(gòu)利(lì)用(yòng)氢(qīng)气(qì)（H₂）将(jiāng)氧(yǎng)化(huà)态(tài)辅(fǔ)因(yīn)子(zi)NAD⁺还(hái)原(yuán)为(wèi)NADH，且(qiě)反(fǎn)应(yīng)原(yuán)子(zi)利(lì)用(yòng)率(lǜ)达(dá)100%，全程(chéng)无(wú)副(fù)产(chǎn)物(wù)生(shēng)成(chéng)。
“氢(qīng)酶(méi)就(jiù)像(xiàng)生(shēng)物(wù)界(jiè)的(de)‘能(néng)量(liàng)转(zhuǎn)换(huàn)器(qì)’，”论(lùn)文通(tōng)讯(xùn)作(zuò)者(zhě)徐(xú)海(hǎi)军(jūn)教(jiào)授(shòu)解(jiě)释(shì)，“氢(qīng)气(qì)作(zuò)为(wèi)清(qīng)洁(jié)能(néng)源(yuán)，不(bù)仅(jǐn)成(chéng)本(běn)低(dī)廉(lián)，还(hái)能(néng)在(zài)常(cháng)温(wēn)常(cháng)压(yā)下(xià)驱(qū)动(dòng)反(fǎn)应(yīng)，大(dà)幅(fú)降(jiàng)低(dī)能(néng)耗(hào)。”
热(rè)力(lì)学(xué)优(yōu)化(huà)：打(dǎ)破(pò)反(fǎn)应(yīng)能(néng)量(liàng)壁(bì)垒(lěi)
C1化(huà)合(hé)物(wù)的(de)还(hái)原(yuán)反(fǎn)应(yīng)通(tōng)常(cháng)面(miàn)临(lín)热(rè)力(lì)学(xué)障(zhàng)碍(ài)。以(yǐ)甲(jiǎ)酸(suān)还(hái)原(yuán)为(wèi)甲(jiǎ)醛(quán)为(wèi)例(lì)，其(qí)标(biāo)准(zhǔn)吉(jí)布(bù)斯(sī)自(zì)由(yóu)能(néng)变(biàn)化(huà)（ΔrG'）高(gāo)达(dá)44.6 kJ·mol⁻¹，难以自发进行。团队通(tōng)过(guò)热(rè)力(lì)学(xué)计(jì)算(suàn)发(fā)现(xiàn)，通(tōng)过(guò)提(tí)高(gāo)NADH浓(nóng)度(dù)并(bìng)耦(ǒu)合(hé)后(hòu)续(xù)反(fǎn)应(yīng)，可(kě)显(xiǎn)著(zhe)降(jiàng)低(dī)能(néng)量(liàng)壁(bì)垒(lěi)。
实(shí)验(yàn)中(zhōng)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)构(gòu)建(jiàn)了(le)一(yī)个(gè)体(tǐ)外(wài)酶(méi)级(jí)联(lián)系(xì)统(tǒng)：
通(tōng)过(guò)优(yōu)化(huà)反(fǎn)应(yīng)条(tiáo)件(jiàn)（pH 7.5、离(lí)子(zi)强(qiáng)度(dù)0.25 mol·L⁻¹），最(zuì)终(zhōng)级(jí)联(lián)反(fǎn)应(yīng)的(de)ΔrG'降(jiàng)至(zhì)-20.6 kJ·mol⁻¹，使(shǐ)整(zhěng)个(gè)路径在(zài)热(rè)力(lì)学(xué)上(shàng)可(kě)行(xíng)。
工(gōng)业(yè)级(jí)成(chéng)果(guǒ)：2小(xiǎo)时(shí)生(shēng)成(chéng)373 μM DHA
在(zài)实(shí)验(yàn)中(zhōng)，团(tuán)队(duì)通(tōng)过(guò)异(yì)源(yuán)表(biǎo)达(dá)技(jì)术(shù)在(zài)大(dà)肠(cháng)杆(gān)菌(jūn)中(zhōng)高(gāo)效(xiào)生(shēng)产(chǎn)氢(qīng)酶(méi)，并(bìng)通(tōng)过添加镍离(lí)子(zi)（NiCl₂）提(tí)升(shēng)酶(méi)的(de)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)。优(yōu)化(huà)后(hòu)的(de)反(fǎn)应(yīng)系(xì)统(tǒng)在(zài)2小(xiǎo)时(shí)内产出373.19 μmol·L⁻¹的DHA，甲酸转化率达7.47%，较传统方法提升显著。
“DHA是医药、化妆品等领域的重要原料，传统化学生产依赖化石能源，”论文第一作者孙瑞霜表示，“我们的技术用甲酸——一种可通过二氧化(huà)碳(tàn)电(diàn)化(huà)学还原获得的原料——替代石油，真正实现了‘负碳制造’。”
绿色潜力：从实验室到工业化的跨越
该技术的核心优势在于其可持续性：
研究团队指出，未来可通过固定化酶技术提升氢酶的长期稳定性，并与上游CO₂捕集、下游化学品合成技术整合，构建完整的“二氧化碳—甲(jiǎ)酸(suān)—DHA—高(gāo)附(fù)加(jiā)值(zhí)产(chǎn)品(pǐn)”产业链。
挑战与展望
尽管成果显著，该技术仍面临两大挑战：
对此，徐海军教授表示：“我们正在探索酶固定化技术(shù)和(hé)反(fǎn)应(yīng)器(qì)设(shè)计(jì)优(yōu)化(huà)，目(mù)标(biāo)在(zài)5年(nián)内(nèi)实(shí)现(xiàn)中(zhōng)试(shì)生(shēng)产(chǎn)。”
结(jié)语(yǔ)：氢(qīng)能(néng)驱(qū)动(dòng)的(de)生(shēng)物(wù)制(zhì)造(zào)新(xīn)时(shí)代(dài)
这项研究不仅为碳固定提供了新工具，更展示了氢能在生物制造中的巨大潜力。正如论文所述，将可再生能源（如太阳能制氢）与酶催化结合，有望打造零碳排的“生物工厂”。随着技术迭代，未来我们或将看到更多以CO₂为原料的绿色化学品走向市(shì)场(chǎng)，为(wèi)地(de)球(qiú)按(àn)下(xià)“减(jiǎn)碳(tàn)加(jiā)速(sù)键”。
“每(měi)一(yī)分(fēn)子(zi)DHA的(de)合(hé)成(chéng)，都(dōu)是(shì)对(duì)碳中和承诺的践行。”徐海军教授总结道。这项来自中国与德国的合作研究，正为全球绿色化学工业书写新的篇章。
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