揭示使用枯草芽孢杆菌生产生物能源原料时，实现环境可持续二氧化碳生物缓解过程的动力学、传质机制及多组学特性

《Journal of Engineering and Technology Management》：Unraveling the kinetics, mass transfer, and multi-omics for environmentally sustainable CO 2 bio-mitigation using Bacillus cereus for bioenergy feedstock production

气泡柱生物反应器中Bacillus cereus SSLMC2的高效CO?生物固定与转化研究。采用20L气泡柱反应器，成功实现10-25% CO?（g）的去除率（最高93.43%）与生物量生产（0.051 g L?1 h?1），结合代谢组学与动力学模型揭示碳固定机制及代谢产物多样性，为工业级CO?资源化提供新策略。

　　随着人类社会的快速发展，工业化进程显著加剧了大气中温室气体（GHG）的排放，进而引发了诸如海平面上升、冰川融化、沙漠化和海水酸化等一系列严重的环境问题。其中，二氧化碳（CO?）作为主要的温室气体之一，占全球温室气体排放总量的约80%，是导致全球变暖的关键因素。面对日益增长的能源需求与CO?排放控制之间的矛盾，传统方法如吸附、吸收和膜分离等虽然能有效降低CO?浓度，但往往伴随着高能耗和高昂的成本，且容易产生污染性废物，无法生成有价值的原料或中间产物。因此，寻找一种既经济又环保的解决方案显得尤为迫切。

近年来，碳捕集与利用（CCU）技术逐渐成为应对碳排放问题的重要手段，它通过先进的技术将捕获的CO?转化为可再利用的高价值产品，从而克服了碳捕集与封存（CCS）技术的局限性。然而，现有研究对细菌在CO?捕集和利用过程中的代谢变化及其与CO?固定之间的关系理解尚不充分，尤其是在工业规模的应用场景下。同时，对于能够在极端环境中生存并表现出更高CO?固定效率的新型菌株的识别和表征也存在不足。这限制了生物技术在工业领域中的应用潜力。

在这一背景下，研究者们开始探索利用生物技术进行CO?捕集和利用的新方法。生物缓解（bio-mitigation）作为一种清洁且创新的CCU策略，涉及微生物、可再生能源以及绿色原料的利用，能够提供传统方法难以实现的替代方案。与传统方法相比，生物缓解具有更高的缓解速率、生成更多高价值的产物、在高CO?浓度环境下仍能自我再生和持续，并且对环境的影响较小。这使得生物缓解在实现可持续发展目标（SDGs）方面展现出独特的优势。

为了深入研究这一过程，本研究采用了一种自主研发的20升气泡柱生物反应器，结合了**Bacillus cereus** SSLMC2菌株，以探讨和提升CO?生物缓解的方法。该菌株是一种在高盐度和碱性环境中发现的化能自养型、兼性厌氧菌株，能够在高浓度CO?和盐度环境下生存，使其成为工业废气中CO?缓解和生物能源原料生成的理想候选者。**Bacillus cereus** SSLMC2具备氧化无机底物并同时通过羧酶体途径固定CO?的能力，这在应对极端环境条件下的碳捕集和高附加值产物生成方面具有独特优势。

在实验中，研究人员对不同浓度的CO?（10%、15%、20%和25%）进行了半连续操作，以评估其在气泡柱生物反应器中的生物缓解效果。通过统计分析软件OriginPro 8.5对收集的数据进行了处理，以确保实验结果的可靠性。实验结果显示，在不同CO?浓度条件下，**Bacillus cereus** SSLMC2的生物量产率分别为0.042、0.035、0.032和0.051 g/L/h，而CO?去除率则达到了91.68%、86.83%、84.86%和93.43%。这表明，随着CO?浓度的增加，菌株的生物量增长和CO?固定效率也相应提高，说明其在高浓度CO?环境中的适应性较强。

为了进一步了解生物缓解过程的机制，研究人员对气泡柱生物反应器的传质特性进行了分析，包括气泡大小、流体流速、气体含量、气液接触面积以及CO?浓度等因素对传质效率的影响。这些因素在很大程度上决定了CO?从气相向液相的转移速率，从而影响菌株的生长和产物生成。此外，研究人员还采用了动力学模型，如Monod、Haldane、Powell、Webb和Luong模型，以描述细菌的生长动力学，并探讨CO?浓度、菌株生长和代谢产物合成之间的关系。这些模型能够预测细菌的生长速率和反应器的性能，但无法提供具体的缓解路径信息。

为了全面揭示细菌在CO?缓解过程中的分子和代谢机制，研究人员利用核磁共振（NMR）技术对菌株的代谢变化进行了分析。NMR代谢组学分析不仅检测了细菌在CO?捕集前后的代谢产物变化，还揭示了CO?在细胞内的积累过程及其对代谢通路的影响。此外，研究人员还通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术，对不同菌株在不同条件下生成的高附加值生物产物，如生物燃料、脂肪酸和醇类进行了检测。这些分析为理解CO?缓解的分子机制提供了重要的数据支持。

本研究还特别关注了生物缓解技术的可持续性和可扩展性。通过优化气泡柱生物反应器的设计和操作条件，研究人员成功提高了CO?的传质效率和菌株的生物量产率。同时，实验结果显示，**Bacillus cereus** SSLMC2在不同CO?浓度下的生物缓解效果显著，表明其在工业应用中的可行性较高。此外，通过分析菌株在不同环境条件下的代谢变化，研究人员发现，CO?的捕集和利用不仅影响了菌株的生长，还促进了代谢产物的生成，从而为高附加值产物的生产提供了新的思路。

在实际应用中，生物缓解技术的优势在于其能够将工业废气中的CO?转化为可再利用的资源，同时减少对环境的影响。相比传统方法，生物缓解技术不仅成本更低，而且能够生成有价值的产物，如生物燃料、脂肪酸和醇类，这些产物在工业和能源领域具有广泛的应用前景。此外，生物缓解技术还能够在高浓度CO?环境下保持菌株的活性，使其在工业废气处理中表现出更高的稳定性和适应性。

为了进一步推动生物缓解技术的发展，研究人员还对不同菌株在不同条件下的代谢产物生成进行了比较。结果显示，不同菌株在CO?捕集和利用过程中生成的代谢产物种类和数量存在差异，这表明菌株的种类和环境条件对产物生成具有重要影响。因此，选择适合的菌株和优化操作条件对于提高生物缓解技术的效率和经济性至关重要。

本研究的成果不仅为CO?缓解技术提供了新的理论支持，还为工业领域的碳减排和资源利用提供了实际可行的解决方案。通过结合生物技术与工业流程，研究人员成功实现了CO?的高效捕集和利用，同时生成了有价值的产物，这为实现全球可持续发展目标提供了重要的技术支撑。此外，本研究还强调了生物缓解技术在促进经济可持续发展和环境保护方面的双重价值，表明其在未来工业发展中的重要地位。

在实验过程中，研究人员还对气泡柱生物反应器的结构和操作参数进行了优化，以提高CO?的传质效率和菌株的生长速率。例如，通过调整气泡大小和流体流速，研究人员发现这些参数对CO?的转移速率和菌株的生物量产率具有显著影响。这表明，通过优化反应器的设计和操作条件，可以进一步提高生物缓解技术的效率和经济性。

此外，研究人员还对不同菌株在不同条件下的代谢产物生成进行了分析，发现某些菌株在特定条件下能够生成更高的脂肪酸和醇类含量。例如，某些菌株在CO?浓度为25%的条件下，能够生成高达90%的脂肪酸含量，这表明菌株的种类和环境条件对产物生成具有重要影响。因此，选择适合的菌株和优化操作条件对于提高生物缓解技术的效率和经济性至关重要。

通过本研究的实验结果和分析，研究人员发现，生物缓解技术不仅能够有效降低CO?排放，还能生成高价值的产物，这为实现工业领域的碳减排和资源循环利用提供了新的思路。同时，该技术的可持续性和可扩展性也得到了验证，表明其在未来工业发展中的应用前景广阔。此外，本研究还强调了微生物在CO?缓解过程中的重要作用，以及其在高浓度CO?环境下的适应性，为生物技术在工业领域的应用提供了重要的理论支持。

综上所述，本研究通过结合**Bacillus cereus** SSLMC2菌株和气泡柱生物反应器，成功实现了CO?的高效捕集和利用，同时生成了有价值的产物。实验结果表明，该菌株在不同CO?浓度下的生物缓解效果显著，且能够适应高浓度CO?和盐度环境，使其成为工业废气处理中的理想候选者。此外，通过优化反应器的设计和操作条件，研究人员提高了CO?的传质效率和菌株的生物量产率，为生物缓解技术的进一步发展提供了重要的理论依据和实践指导。本研究的成果不仅为CO?缓解技术提供了新的解决方案，还为实现全球可持续发展目标和工业碳减排提供了重要的技术支撑。