非尿素依赖型异养微生物诱导的CO2矿化：碳封存与矿化机制研究

为解决化石燃料依赖导致的CO2排放问题，研究人员以Sporosarcina pasteurii为模型，探究了非尿素途径下CO2浓度对碳酸酐酶（CA）介导的生物矿化影响。研究发现，30 vol% CO2条件下菌株对CO2的吸收率提升49.3%，CA活性增强并促进CaCO3沉淀形成，粒径分布受CO2浓度调控。该研究为微生物驱动的碳封存技术提供了理论支撑。

　　

全球变暖与CO₂减排的紧迫挑战
工业革命以来，化石燃料的大规模使用导致大气CO₂浓度急剧上升，引发温室效应、海平面升高等环境危机。尽管可再生能源发展迅速，但化石能源仍是当前能源供给的主力。碳捕集与封存（CCS）技术中，生物矿化因其环境友好性备受关注，但传统尿素依赖型微生物矿化会产生氨污染。如何实现高效、清洁的CO₂固定成为关键科学问题。

山东科技大学的研究团队在《Environmental Research》发表论文，以Sporosarcina pasteurii为研究对象，首次系统揭示了非尿素途径下CO₂浓度对碳酸酐酶（CA）驱动矿化的调控机制。通过气相CO₂吸收监测、透射电镜（TEM）观察及X射线衍射（XRD）分析，发现高CO₂浓度（30 vol%）下菌体CA活性提升至0.03675 U，促使CO₂水合为HCO₃^-，并在碱性环境中与Ca²⁺形成纳米级CaCO₃沉淀，粒径随CO₂浓度升高而减小。

关键技术方法
研究采用动态CO₂浓度控制系统模拟工业排放环境，结合激光粒度分析仪量化沉淀物粒径分布，通过TEM观察到菌体内高电子密度颗粒及胞外聚合物（EPS）的分泌特征，证实EPS在矿化中的模板作用。

主要研究结果

1. 菌株生长与CO₂适应性
   15 vol% CO₂浓度下菌体生长活性最高，延迟期缩短，表明适度CO₂胁迫可刺激代谢。

2. CA活性调控机制
   pH=9时CA催化效率最优，钙离子添加使酶活提升27.8%，证实碱性环境与Ca²⁺对CO₂水合反应的协同促进作用。

3. 矿化产物特性
   XRD显示沉淀为方解石型CaCO₃，30 vol% CO₂组颗粒比0.04 vol%组粒径减小42%，揭示CO₂浓度对晶体成核的调控作用。

结论与意义
该研究阐明了Sporosarcina pasteurii通过CA将气态CO₂转化为稳定碳酸盐的分子路径，突破了传统尿素依赖型矿化的氨污染限制。提出的CO₂浓度-酶活-粒径关联模型，为设计工业级生物碳封存反应器提供了参数依据。未来结合地质封存技术（如HBCS、ECBM），可进一步推动CCS技术的规模化应用。