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为解决 CO?水溶性低及辅酶 NADH 再生难题，研究人员开展 Zn-MOF-74 封装甲酸脱氢酶（FDH）和碳酸酐酶（CA）的双酶级联电酶还原 CO?研究。结果显示优化系统甲酸盐产率达 3.01 mM，为游离酶系统 4.98 倍，为 CO?转化提供新策略。
随着工业化进程加快，CO?排放量急剧增加，打破了自然碳循环，引发了全球变暖等一系列严峻的环境问题。将 CO?转化为有价值的燃料和化学品，成为实现可持续能源生产和温室气体固定的重要途径。在众多 CO?转化技术中，酶法还原因其温和的反应条件、高特异性和选择性而备受关注，其中将 CO?还原为甲酸盐是一条经济可行的路径。然而，该过程面临着诸多挑战，如 CO?在水中的溶解度低，导致底物浓度不足，反应动力学缓慢；同时，辅酶 NADH 的高成本限制了其实际应用。因此，开发高效的 CO?溶解增强策略和辅酶再生系统成为该领域的研究热点。
为解决上述问题，国内研究人员开展了 Zn-MOF-74 封装甲酸脱氢酶（FDH）和碳酸酐酶（CA）的双酶级联电酶还原 CO?的研究，相关成果发表在《Green Carbon》。该研究旨在构建一种高效、稳定的双酶级联系统，通过酶固定化技术提高酶的 proximity、稳定性和可重复使用性，同时利用 CA 增强 CO?的溶解度，结合电化学方法实现 NADH 的再生，以提升 CO?转化为甲酸盐的效率。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：一是温和的水相室温合成法制备 Zn-MOF-74，并将 FDH 和 CA 共封装于其中，形成双酶级联系统；二是利用循环伏安法和安培法研究电子 mediator 2 - 羟基 - 1 - 萘醌（HNQ）介导的 NADH 电化学再生过程；三是通过三电极 H - 细胞体系进行电酶还原 CO?实验，利用高效液相色谱（HPLC）测定甲酸盐浓度；四是运用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、粉末 X 射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线光电子能谱（XPS）等多种表征手段对材料的形貌、结构和化学组成进行分析。
3.1 合成与表征
通过温和的水相缓冲体系快速合成 FDH&CA@Zn-MOF-74，实现了酶的高效固定化并保留了酶活性。SEM 和 TEM 观察显示，Zn-MOF-74 呈规则的棒状形貌，封装酶后的复合材料形貌与载体无明显差异。XRD 结果表明，封装酶后 Zn-MOF-74 的晶体结构保持良好。FTIR 和 XPS 分析证实了酶的成功封装，且酶与 MOF 之间通过亲水相互作用等方式结合。电泳实验和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）进一步验证了酶是封装于 MOF 内部而非吸附于表面，且酶的活性在固定化后未降低，蛋白质负载量分别为 FDH 155.98 mg/gsupport和 CA 151.15 mg/gsupport。
3.2 酶电催化 CO?还原
3.2.1 电催化再生 NADH
通过循环伏安法确定 HNQ 的最佳还原电位为 - 0.65 V（vs. Ag/AgCl），当 HNQ 浓度为 3 mM 时电子转移量最大。随着 NADH 浓度增加，电流和甲酸盐浓度先升后降，确定 4 mM 为合适浓度。
3.2.2 配体与金属离子的影响
调整配体与金属离子的摩尔比发现，当比例为 1:5 时，Zn-MOF-74 的衍射强度最高，晶体结构最佳，酶活性也最高，因此选择该比例进行后续实验。
3.2.3 固定化条件优化
pH=6 时系统效果最佳，此时 MOF 稳定性高，反应倾向于弱酸性近中性微环境。随着 CA 浓度增加，CO?吸附能力增强，当 CA 浓度为 1.5 mg/mL 时，吸附能力比 Zn-MOF-74 高 107.9%；FDH 浓度为 2 mg/mL 时，耦合反应速率最快，过高浓度会导致酶分子聚集，增加传质阻力。
3.2.4 反应条件
随着 immobilized enzyme 量增加，甲酸盐产率逐渐升高并达到饱和。对比六种不同反应系统发现，双酶固定化且有 NADH 再生的系统甲酸盐产率最高，达 3.01 mM，是游离酶系统的 6 倍，表明双酶共固定和电化学再生 NADH 的协同作用显著提升了反应效率。
3.3 固定化酶的稳定性
固定化酶在极端 pH（pH=4 和 pH=10）、高温（50℃）条件下，以及长期反应和储存后，相对甲酸盐产率均显著高于游离酶，表明 Zn-MOF-74 的刚性骨架为酶提供了保护，有效抑制了酶的聚集、构象变化和泄漏。经过 7 次重复使用后，固定化酶的甲酸盐产率仍保持初始浓度的 65.96%，显示出良好的可重复使用性。
该研究成功构建了 Zn-MOF-74 封装 FDH 和 CA 的双酶级联电酶还原 CO?系统，通过 CA 增强 CO?溶解度、MOF 固定化提升酶稳定性和 proximity、电化学再生 NADH 降低成本等多重策略，显著提高了甲酸盐产率和系统稳定性。该研究为 CO?的高效转化提供了一种新颖且有效的方法，为开发可持续的生物电化学系统奠定了基础。未来，可通过基因工程技术优化酶的性能，进一步提高 NADH 再生效率，解决 CO?溶解度低等问题，推动该技术向实际应用转化。
