将Nostoc sp.固定在生物聚合物上，以增强二氧化碳的光转化效率

《Molecular Catalysis》：Immobilized Nostoc sp. on biopolymers for enhanced CO? photoconversion

碳捕获与生物转化研究利用Nostoc藻类固定于甲壳素和琼脂生物聚合物材料，实现二氧化碳光生物化学转化。实验显示，在仅以CO?为碳源条件下，藻类在第5天达到0.25 mg/mL密度，转化28 mmol/g CO?为22 mmol/g O?，红氧化活性较游离叶绿体高50倍。该生物技术方案具有可持续、高效和低成本优势，为气候缓解提供新路径。

　　碳捕集、利用与封存（CCUS）技术是应对气候变化的关键手段之一。随着全球能源需求的增长，人口扩张、工业化和经济发展促使人类对化石燃料的依赖加剧，而这些燃料是人为温室气体排放的主要来源。其中，二氧化碳（CO?）因其高排放量和长的温室效应持续时间，成为最具有影响力的温室气体。目前，大气中的CO?浓度已超过410 ppm，比工业化前的水平高出约50%。这一增长加剧了温室效应，导致全球变暖及其相关影响，如冰川融化、海平面上升和极端天气事件频发。根据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的数据，自19世纪末以来，全球气温已上升约1.2°C。为了应对这一挑战，2015年的《巴黎协定》设定了全球气温上升控制在2°C以下、理想情况下不超过1.5°C的目标。实现这些目标需要在所有行业中实现深度脱碳，而CCUS技术被认为是整合减排路径的重要组成部分，特别是在那些直接减排技术受技术和经济限制的难减排行业。

在这些行业中，直接空气捕集（DAC）通过可再生的固体或液体吸附剂从环境中去除CO?，将其浓缩用于地质封存或工业应用。DAC技术可以独立于点源运行，从而有助于实现净零或负排放。然而，其大规模部署受到高能耗和基础设施成本的限制，同时地质封存还涉及风险和复杂性。此外，监管、社会和环境方面的不确定性进一步加剧了这些技术的经济和技术限制。因此，寻找替代或补充的方法，如基于生物的碳固定技术，成为缓解气候变化影响的重要方向。其中，利用微生物光合作用的生物技术策略，尤其是蓝藻，因其高能效、环境兼容性和可扩展性而显示出巨大的潜力。

蓝藻，也被称为蓝绿藻，是一类光养生物，具有广泛的系统发育多样性。它们能够通过光电子途径将CO?和水转化为葡萄糖和氧气，从而进行光合作用。这种能力使蓝藻成为碳捕集和转化的有力候选者。蓝藻的代谢多样性、生态适应性和较高的生长速率，使其在工程化的碳管理系统中具有广阔的应用前景。然而，在开放或半控制环境中使用自由生活的蓝藻，往往受到非生物胁迫因素的限制，如pH值变化、温度波动、盐度和有毒物质的影响。为了解决这些问题，研究人员提出了将活细胞固定在多孔结构中的策略，这一方法提供了多种操作优势，包括：（i）增强对环境波动的抵抗力，（ii）在少量材料中提高活性细胞的密度，优化降解过程，（iii）改善系统管理，使其更适合工业应用，（iv）减少对非目标污染物的生物修复，降低二次污染，（v）优化营养和底物的传输，提高生物修复的反应速率，（vi）增加吸附位点，用于保留污染物并作为碳源。

尽管已有研究探索了蓝藻在碳捕集和转化中的应用，如在涂料和建筑结构中的使用，但大多数研究仅关注CO?的去除速率，而没有量化相应的O?生成或建立这两种气体之间的化学计量关系。这种遗漏限制了对光合效率的理解。此外，尽管已经有一些研究涉及蓝藻固定技术，但目前尚无研究使用天然生物聚合物如琼脂（Agar-Agar, AA）和卡拉胶（Carrageenan, CA）作为固定基质。这些生物聚合物因其良好的生物相容性、化学稳定性和低成本而受到关注。它们的强凝胶特性允许在低浓度下形成有效的基质，从而在成本与性能之间提供更有利的平衡。

本研究旨在通过结合定量CO?/O?气体释放与氧化还原活性评估，实现大气条件下直接的CO?光转化。为此，AA和CA凝胶通过热固化处理，并通过初始湿法浸渍法（incipient wetness impregnation）与碳微球（NXC）功能化，随后用于制备包含蓝藻的生物材料。所获得的系统通过电子还原测试、CO?消耗和O?生成动力学等方法进行表征，以评估其光化学能力。实验结果显示，在CO?作为唯一碳源的情况下，蓝藻在第1天开始生长，并在第5天达到0.25 mg·mL?1的密度。在此期间，蓝藻能够通过光生物化学途径将高达28 mmol·g?1的CO?转化为22 mmol·g?1的O?。此外，观察到蓝藻的氧化还原活性是分离的叶绿体的50倍，这对于光生物化学过程至关重要。

研究还发现，自由的AA和CA凝胶对CO?的吸附能力较低（<3 mmol·g?1），而当蓝藻固定在CA基质中时，其CO?转化能力显著提高，达到每克生物量100 mmol·g?1的转化率，持续时间为16天。这一结果突显了基于生物技术的碳捕集方法在可持续、高效和低成本方面的潜力，以及其在缓解气候变化中的应用前景。通过使用天然生物聚合物，如AA和CA，不仅降低了材料成本，还避免了连续操作、空气供应或专用生物反应器基础设施的需求，从而实现了更经济可行的碳捕集方案。