超越碳酸盐生物矿化：为何由原核生物驱动的二氧化碳封存需要全面评估

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Beyond carbonate biomineralization: why prokaryote-driven CO2 sequestration demands holistic evaluation

微生物诱导碳酸沉淀（MICP）通过微生物代谢生成稳定碳酸矿物实现二氧化碳封存，但需综合考虑碳足迹核算不全面、微生物生理限制（呼吸、生长阶段）、矿物形态稳定性不足等问题，需优化代谢途径、选择低排放材料及调控环境参数以提高长期碳封存效率。

　　微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）作为一种生物方法，能够将大气中的二氧化碳转化为稳定的碳酸盐矿物，从而实现长期的碳封存，成为应对气候变化的重要手段之一。尽管这一技术在实验室环境中展现出显著的潜力，但在实际应用过程中，仍面临诸多科学和工程上的挑战。为了推动MICP技术的发展，必须从多个维度进行全面评估，包括微生物生理特性、代谢路径的选择、环境因素的影响以及碳酸盐矿物的稳定性等。本文将从碳足迹分析、代谢路径差异、生物碳与矿物碳的区别、微生物生理限制、温度与CO?浓度的影响以及碳酸盐矿物的稳定性等方面，对MICP技术进行深入探讨。

MICP的核心在于利用微生物的代谢活动，通过一系列化学反应促使碳酸盐矿物的形成。在这一过程中，微生物的代谢路径和环境条件决定了碳的转化效率以及最终封存的稳定性。目前的研究多集中于实验室环境下的碳酸盐沉淀速率和矿物形成效果，而忽略了整个过程中的碳平衡问题。这种片面的评估方式可能导致对碳封存效果的高估，进而影响其在实际应用中的可行性。因此，有必要对MICP进行全面的碳生命周期分析，确保所有碳输入和输出都被准确记录和计算。

在碳输入方面，微生物培养所需的营养物质，如酵母提取物、葡萄糖和尿素等，都会产生相应的碳足迹。例如，酵母提取物的生产在欧盟地区每生产1千克会释放约3.34千克的二氧化碳当量（CO?e），其中71%的排放来自生产加工环节，23%来自农业来源，其余则与运输和包装相关。这种高碳排放的营养物质如果被广泛用于MICP系统，将显著增加整个过程的碳足迹。相比之下，尿素的生产过程更为能源密集，每生产1千克尿素会释放约1.8千克的CO?，主要源于哈伯-博世工艺中的化石燃料消耗。因此，选择更环保的替代性营养源，如工业副产品或低碳氮源，将有助于降低MICP的整体碳排放。

在碳输出方面，微生物的呼吸作用和代谢过程会释放一定量的二氧化碳，这通常被忽视。微生物在利用碳源时，会将其部分转化为生物量，而剩余部分则通过呼吸作用释放回大气。碳利用效率（CUE）是衡量这一过程的重要指标，它反映了微生物在生长过程中对碳的保留比例。对于异养微生物而言，CUE通常在0.5到0.8之间，这意味着约一半的碳会被释放。对于自养微生物，CUE的范围则更广，可能因代谢途径和环境条件的不同而有所变化。因此，准确评估CUE对于理解MICP的碳封存潜力至关重要。

此外，微生物的生长阶段对MICP的效果也具有重要影响。大多数研究仅关注指数生长期，此时微生物数量迅速增长，碳酸盐沉淀和CO?吸收通常达到峰值。然而，这一阶段的观察结果可能无法全面反映MICP在实际应用中的表现。例如，当微生物进入稳定期时，其代谢活动可能趋于平稳，但碳酸盐沉淀仍可能持续。因此，有必要研究微生物在不同生长阶段的代谢行为和碳酸盐沉淀能力，以优化MICP的实施策略。

在高浓度CO?环境下，微生物的生长和代谢可能会受到抑制。已有研究表明，某些MICP相关菌株在CO?浓度升高的情况下，其生长速率会显著下降，甚至影响关键酶如碳酸酐酶的表达。这种现象在好氧微生物中尤为明显，而厌氧微生物可能具有更高的耐受性。因此，在设计MICP系统时，需要考虑CO?浓度对微生物的影响，并选择合适的菌株或采取措施维持适宜的CO?水平，以确保其长期稳定运行。

温度同样是影响MICP性能的重要因素。大多数研究将温度视为支持微生物生长的必要条件，而未深入探讨其对碳酸盐沉淀速率和矿物稳定性的影响。例如，某些已知的MICP菌株如*Sporosarcina pasteurii*的最佳工作温度通常不超过30℃。虽然高温可以加速反应速率，但也可能影响酶的活性和寿命，从而增加能耗和降低系统的环境友好性。因此，有必要研究适应高温环境的微生物菌株，并探索在不同温度条件下如何优化MICP的性能。

碳酸盐矿物的稳定性是MICP技术能否实现长期碳封存的关键。MICP可以生成多种碳酸盐矿物，包括方解石、霰石和文石等，这些矿物在热力学稳定性上存在显著差异。方解石是其中最稳定的一种，具有较低的溶解度，能够长期锁住碳。然而，实现方解石的完全形成是一个复杂的过程，受到多种生物和环境因素的共同影响。例如，pH值、温度、钙和尿素浓度、菌株种类以及添加剂等因素都会影响矿物的形成路径和稳定性。因此，需要通过系统的研究，优化这些参数，以确保生成的碳酸盐矿物具有足够的稳定性。

为了提高MICP的可行性，必须在实验室和实际应用之间建立更紧密的联系。目前的许多研究虽然在实验室条件下取得了显著成果，但在复杂环境中的表现仍需进一步验证。例如，微生物在不同环境条件下的代谢活性、碳酸盐沉淀的持续性以及矿物的长期稳定性，都需要在实际应用环境中进行评估。此外，不同菌株之间的代谢差异和适应性也需被充分研究，以找到最适合特定应用场景的微生物。

在碳足迹分析方面，还需要考虑整个系统的能量输入和输出。例如，维持适宜的生长条件可能需要额外的能量，而这些能量的来源和消耗同样会影响碳封存的净效果。因此，未来的研究应更加关注能源效率的优化，探索如何在不增加额外碳排放的前提下，提高MICP的碳封存能力。

为了实现MICP的可持续发展，必须建立标准化的评估方法和操作流程。目前的研究缺乏统一的实验设计和数据报告标准，这使得不同实验室之间的结果难以比较。因此，制定一套系统化的评估框架，不仅有助于提高研究的可重复性，还能为政策制定、监测和碳交易提供可靠的数据支持。

综上所述，MICP作为一种生物碳封存技术，虽然在实验室中展现出良好的前景，但在实际应用中仍需克服诸多挑战。这些挑战包括对碳足迹的全面评估、微生物生理特性的深入理解、环境因素的优化以及碳酸盐矿物稳定性的控制。只有通过跨学科的合作和系统的实验研究，才能推动MICP从实验室走向实际应用，成为应对气候变化的重要工具。