環(huán)境生物學co2固定

1、微生物固碳及其在CO2吸收與資源化中的應用,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 微生物固碳原理及其應用,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,1. CO2與全球重大環(huán)境問題,1.1 CO2排放量不

2、斷增長,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)的全球溫室效應及其次生問題,模式僅考慮自然強迫的模擬結果； 模式同時考慮自然和人為強迫的模擬結果； 觀測結果圖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、化學法 和生物法,2. CO2固定及其資源化技術,● 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，對煙氣進行多級壓縮和冷卻可 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

4、造當中，如油田、天然氣儲層、含鹽地層和不 可采煤層等都適合CO2的儲存。與地質(zhì)封存關聯(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，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、聚乙二醇等高沸點有機溶劑，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。,2. CO2固定及其資源化技術,2.1 物理法,● 化學法有礦石碳化、吸收法、化學合成等(1) 礦石碳化：是利用CO2與金屬氧化物發(fā)生反應生成穩(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CO2進行溶解分離。然后通過脫析分解分離出 CO2氣體同時對溶劑進行再生，典型的化學吸收溶劑主要是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 化學法,2. CO2固定及其資源化技術,● 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)模最大的反應過程，在有機物合成、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,2.3 生物法,3. 微生物固碳及其資源化技術,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,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,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,3.2.2 逆向TCA循環(huán),,3. 微生物固碳及其資源化技術,3.2.3 羥基丙酸途徑,,3. 微生物固碳及其資源化技術,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,3.2.5 甘氨酸途徑,,3. 微生物固碳及其資源化技術,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固碳途徑的共同作用,,,藻類,氫－氧化細菌,經(jīng)

13、濟價值較高產(chǎn)微藻能源需光照培養(yǎng)不耐高CO2濃度,生長速率快環(huán)境適應性強 但培養(yǎng)中需要通入氫氣,3.3 微生物固定CO2的應用研究,3. 微生物固碳及其資源化技術,,3.4 微生物固碳技術的發(fā)展趨勢,3. 微生物固碳及其資源化技術,●篩選在普通環(huán)境下高效固碳的微生物 ●開發(fā)高效的生物反應器●基因工程菌（關鍵酶）●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，同時可實現(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,3. 微生物固碳及其資源化技術,(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提供)。,3. 微生物固碳及其資源化技術,(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量,3. 微生物固碳及其資源化技術,(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,不同篩選地的DGGE圖譜,（6）非光合固碳微生物菌群的結構,3. 微生物固碳及其資源化技術,加入不同電子供體的DGGE分析,DGGE條帶的序列比對結果,3. 微生物固碳及其資源化技術,優(yōu)

16、勢菌的系統(tǒng)發(fā)育樹,,,（7）混合固碳微生物的優(yōu)勢,混合微生物形成一個二氧化碳同化系統(tǒng)，微生物間可能產(chǎn)生共生效應（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,不同電子供體的菌群結構（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,多種電子供體間存在交互作用（促進或者相互抑制）某一混合電子供體的固碳效率遠高于三種單一電子供體固碳效率的加合 （能量的供應效率和有效性）,非光合固碳微生物的高密度培養(yǎng),高傳質(zhì)低能耗的生物反應器