综述：生物催化驱动的 CO2 增值：转化与利用中的创新和可持续策略

本文聚焦生物催化驱动的 CO2 增值，详细阐述（脱）羧酶、一氧化碳脱氢酶（CODH）、甲酸脱氢酶（FDH）等在 CO2 转化中的作用，介绍多酶级联催化体系，分析现存挑战并展望未来，为实现可持续 CO2 利用提供参考。

　　

1. 引言

大气中 CO₂浓度从工业革命前的 280ppm 攀升至近年的 427ppm，年增长率约 0.5%，2023 年能源相关的 CO₂ 排放量达 37.4Gt，创历史新高。《巴黎协定》及 COP28 宣言致力于减少 CO₂ 排放。目前减排策略主要有提高能源效率、采用可再生能源等间接减排，以及直接 CO₂ 捕获技术。

直接 CO₂ 捕获技术包括碳捕获与封存（CCS）和碳捕获与利用（CCU）。CCS 将 CO₂ 捕获后存储于地质构造，但面临能耗高、存储安全性不确定等问题。CCU 则把 CO₂ 作为碳原料转化为高价值化学品、燃料等，符合循环碳经济原则。

在 CCU 众多产品中，C1 化学品合成是实现闭环碳循环的重要途径，但 CO₂ 转化的热力学障碍影响其效率和可行性。工业生物技术利用生物转化 CO₂ ，早期微藻系统存在生产效率低等问题，现代生物催化技术，尤其是酶促 CO₂ 转化，成为可持续工业应用的关键研究前沿。

2. （脱）羧酶催化 CO₂ 转化为羧酸

（脱）羧酶可催化 CO₂ 与有机底物形成 C-C 键，实现从 CO₂ 可持续合成羧酸，在温和条件下延长有机分子碳链，用于合成多种重要化学品，部分（脱）羧酶在 CO₂ 固定中发挥重要作用。

核酮糖 - 1,5 - 二磷酸羧化酶 / 加氧酶（RuBisCO）是自然 CO₂ 固定途径的关键酶，在植物和藻类光合作用中催化大量反应。不同（脱）羧酶对辅酶和二价金属辅因子有特定需求。丙酮酸脱羧酶可逆催化丙酮酸合成，原子经济性超 80%；4 - 羟基间苯二甲酸脱羧酶可利用 CO₂ 合成 4 - 羟基间苯二甲酸。

过程工程对生物催化系统至关重要。有研究设计、模拟和优化了两种集成酶级联系统，一种将碳酸酐酶（CA）增强的 CO₂ 捕获与无辅因子脱羧酶结合，实现生物质衍生酚的酶促羧化；另一种对现有 CO₂ 捕获基础设施进行模块化改造，将部分捕获的 CO₂ 用于酶促羧化，两种系统都展现出良好的应用潜力。

3. 一氧化碳脱氢酶催化 CO₂ 还原为 CO

一氧化碳脱氢酶（CODH，EC 1.2.99.2）能将 CO₂ 直接还原为 CO，CO 可作为下游合成甲醇和液体燃料的中间体，在碳增值策略中意义重大。

CODH 催化 CO₂ 转化为 CO 是生物催化碳固定的关键反应，但目前只有部分 CODH 的结构和功能得到表征。根据氧耐受性和催化结构，CODH 可分为厌氧型和需氧型。厌氧型 CODH 依赖氧敏感的 [Fe?S?Ni] 簇，CO 氧化活性高但 CO₂ 还原速率慢，严格的氧敏感性限制了其应用；需氧型 CODH 使用耐氧的 [MoSCu] 簇，能在有氧环境中发挥功能，但催化速率低于厌氧型，其 [MoSCu] 簇介导的 CO₂ 活化机制尚不清楚。

CODH 通常需要外源电子供体，这限制了其在工业中的应用。近年来研究致力于将 CODH 与可再生能源驱动的平台结合，如将 CODH 固定在 TiO₂ 纳米颗粒或量子点上，利用太阳能驱动电子转移；或组装 CODH 与 CdS 纳米晶体，实现可见光驱动的 CO₂ 还原。但这些混合系统的催化性能受多种因素影响，未来需优化酶 - 纳米材料界面等。此外，开发更高效的生物催化剂和优化电子供体系统也是研究重点。

4. 甲酸脱氢酶催化 CO₂ 还原为甲酸

甲酸脱氢酶（FDHs；EC: 1.17.1.9）可将 CO₂ 转化为甲酸（HCOOH），甲酸在氢存储、燃料电池原料和有机合成前体等方面有广泛应用。FDHs 以往主要用于氧化方向，再生还原型烟酰胺辅酶（NAD (P) H），如今其还原 CO₂ 的功能受到更多关注。

目前已发现多种具有还原活性的 FDH，根据对金属辅因子的依赖可分为两类。Form-I FDHs 不依赖金属离子，在不同反应条件下稳定性和兼容性较好，常依赖 NAD (P) H；Form-II FDHs 依赖钼（Mo）或钨（W），金属离子在催化中起关键作用，同时也带来了酶表达等方面的问题。

野生型 FDHs 在工业条件下催化效率和稳定性欠佳。为解决这些问题，一方面通过基因组和宏基因组方法发现新型酶变体，如从不同微生物中筛选出具有优良特性的 FDH；另一方面通过理性设计、定向进化等蛋白质工程手段优化现有 FDH，提高其活性、稳定性和底物特异性。

酶固定化技术可提高 FDHs 的操作稳定性和可重复使用性。如通过共价固定化方法将 Candida boidinii FDH（CbFDH）固定在功能化天然沸石上，显著提高其热稳定性和重复使用性；使用新型载体材料如聚乙烯亚胺（PEI）修饰的聚乙烯薄膜、SiO₂ 微球或纳米结构载体，可提升酶活性；有机 - 无机杂化纳米花（hNFs）也是极具潜力的固定化技术。

此外，NADH 的供应和再生是 CO₂ 还原过程的关键。目前已开发出多种原位再生策略，包括电催化、光催化、光生物催化系统和代谢工程等。同时，一些替代电子供体如甲基紫精（MV?*）在 FDHs 催化 CO₂ 还原中表现出更高活性，部分细菌表达的非 NAD? 依赖的 CO₂ 还原酶（HDCRs）可直接利用 H₂ 还原 CO₂ ，简化了反应系统。

5. 多酶级联生物催化转化 CO₂

酶促反应条件的兼容性使多酶级联催化成为可能，该系统能有效将 CO₂ 转化为有价值的化学品，避免中间产物积累和抑制酶活性，还可原位再生辅酶 NAD (P) H。

受自然代谢途径启发，研究人员设计了多种体外多酶系统。如 Zhang 等人开发的双功能碳酸酐酶 - 甲酸脱氢酶（CA - FDH）系统，通过微生物转谷氨酰胺酶（MTG）交联增强稳定性，相比单酶反应，总催化效率提高 5.8 倍，FDH 热稳定性也显著提升；Sato 和 Amao 报道的 BeCA - CbFDH 系统，CbFDH 效率提高 7 倍。

Ren 等人构建的 ZIF-8 纳米反应器共固定 CA、FDH、NADH 和谷氨酸脱氢酶（GDH），实现了辅酶的自我循环，该系统维持了 50% 的 FDH 活性，提高了 CO₂ 溶解度，甲酸产量是单酶系统的 4.6 倍，八个操作循环后仍保留 50% 的生产力。

多酶级联反应还可用于合成甲醇等高价值化合物。通过 FDH、甲醛脱氢酶（FaldDH）和醇脱氢酶（ADH）的协同作用，可将 CO₂ 逐步还原为甲醇。Xu 等人将这三种酶封装在藻酸盐 - 二氧化硅（ALG - SiO?）混合凝胶基质中，提高了系统的可重复使用性和稳定性，经过十次重复使用后甲醇产率仍保持在 78.5%，储存 60 天后初始产率保留 76.2%。

6. 结论与展望

CCU 是实现工业脱碳和应对气候变化的重要策略，生物催化技术在 CO₂ 增值中发挥着关键作用。然而，目前仍面临诸多挑战：

• CO₂ 活化酶多样性有限：探索未培养微生物基因组和宏基因组文库，结合计算化学和人工智能进行从头酶设计，有望发现新型 CO₂ 固定酶。
• 工业条件下操作稳定性差：创新固定化技术，如使用金属有机框架（MOF）封装或制备单酶纳米颗粒，可提高生物催化剂的稳定性。
• 辅酶成本高：使用非生物电子介质替代昂贵辅酶，或利用光 / 电化学系统原位再生 NADH，可降低成本。
• 实验室到工业的 scalability 差距：将酶催化与连续流反应器或 3D 打印微流控平台结合，强化过程，提高从实验室到工业的可扩展性。
• 合成生物学驱动的微生物细胞工厂：工程化自养菌株，结合 CRISPR 技术调控代谢通量和无细胞生物系统，可实现一步法 CO₂ 到化学品的合成。

未来，酶技术、过程创新和系统优化的融合将推动生物催化 CCU 的发展，助力实现碳中和的循环经济。