综述：迈向绿色未来：生物固碳策略的进展

《Green Carbon》：Towards a Green Future: Advances in Biological Carbon Fixation Strategies

本文系统综述了生物固碳技术的最新进展，重点探讨了自然、人工及耦合固碳途径的优化策略。文章指出，尽管生物固碳在应对气候变化方面展现出巨大潜力，但其工业化应用仍面临效率低、能耗高及放大困难等挑战。作者强调，通过酶工程、代谢工程及人工智能（AI）优化，结合生物-电化学-光化学耦合系统，是克服瓶颈、实现规模化碳捕获与转化的关键方向，为构建绿色循环经济提供了重要路径。

　　

生物固碳途径及其优化

随着大气CO₂浓度持续攀升，开发高效的碳封存技术已成为全球共识。生物固碳作为一种环境友好且具有经济潜力的策略，正受到广泛关注。该技术主要分为自然生物固碳途径、人工生物固碳途径以及生物-化学耦合系统三大类。

自然生物固碳途径

自然界中存在七种主要的固碳途径，它们在氧耐受性、能量需求及关键酶特性上存在显著差异。

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  卡尔文-本森-巴沙姆循环（CBB循环）：这是最早被发现的固碳途径，存在于植物、藻类和部分细菌中。其核心酶是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）。尽管RuBisCO对O₂的亲和力会降低固碳效率，但该途径本身对氧气不敏感。通过基因改造和分子伴侣优化，可以显著提升RuBisCO的催化效率和CO₂选择性。
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  伍德-永达尔途径（WL途径）：该途径存在于厌氧细菌和古菌中，通过约10种酶将CO₂还原为乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）。其关键酶包括一氧化碳脱氢酶和乙酰辅酶A合成酶。由于部分关键酶对氧气敏感，该途径需在厌氧条件下进行。WL途径因其高效利用CO、CO₂和H₂气体，且产物乙酰辅酶A是重要的工业中间体，被认为具有巨大的工业应用潜力。
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  其他自然途径：此外，还有3-羟基丙酸循环（3HP循环）、逆向三羧酸循环（rTCA循环）、二羧酸/4-羟基丁酸循环（DC/4HB循环）、3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环（3HP/4HB循环）以及还原性甘氨酸途径（rGlyP）等。这些途径各有特点，例如3HP/4HB循环是需氧固碳循环，且能量利用效率较高。

天然生物固碳途径的异源表达

为了满足实验室研究和工业生产的需求，研究者常将天然固碳途径引入异源宿主中表达。

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  在大肠杆菌（E. coli）中的表达：大肠杆菌因其遗传操作工具成熟、生长迅速，是理想的异源表达宿主。通过引入CBB循环的关键酶RuBisCO和磷酸核酮糖激酶（PRK），并辅以碳酸酐酶和碳酸氢盐转运蛋白的表达，可以显著提升大肠杆菌的固碳能力。此外，3HP循环和rGlyP途径在大肠杆菌中的成功构建，也为其利用C1化合物（如甲酸、CO₂）生长提供了可能。
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  在酵母中的表达：酿酒酵母（S. cerevisiae）和毕赤酵母（P. pastoris）是常用的酵母宿主。在酿酒酵母中引入CBB循环，不仅实现了CO₂的再利用，还显著提高了乙醇产量并减少了副产物甘油的生成。毕赤酵母则因其天然具有甲醇代谢能力，通过引入CBB循环，成功改造为能以CO₂为唯一碳源的自养生物，并实现了酒石酸等目标产物的合成。

人工生物固碳途径的构建

为了克服天然途径的局限性，研究者开始构建人工固碳途径。

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  途径设计：人工途径通过整合来自不同来源的天然或工程化酶，设计出比天然途径更高效、更可控的固碳路线。例如，巴豆酰辅酶A/乙基丙二酰辅酶A/羟基丁酰辅酶A循环（CETCH循环）、丙酮酸羧化酶/草酰乙酸乙酰水解酶/乙酸辅酶A连接酶/丙酮酸合酶循环（POAP循环）等，都展示了比天然途径更高的固碳效率。
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  人工智能（AI）的辅助：AI的发展为人工途径的设计提供了强大工具。通过计算模拟和参数平衡，可以评估途径在不同条件下的性能，并指导酶工程和代谢调控，从而加速高效固碳系统的开发。

生物-化学耦合固碳系统

单一催化剂的固碳方法在效率提升上存在瓶颈，而多催化剂耦合系统可以协同互补，降低整体反应能耗。

生物光化学固碳

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  光酶耦合固碳：该系统模拟自然光合作用，利用光生电子驱动固碳酶的活化。例如，将甲酸脱氢酶（FDH）与光催化剂（如CdS、TiO₂）耦合，可将CO₂转化为甲酸盐。为了克服光反应产生的活性氧（ROS）对酶的损伤，研究者设计了“人工类囊体”或利用金属有机框架（MOF）进行空间分隔，有效保护了酶活性并提高了转化效率。
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  微生物光催化固碳：利用天然光合微生物（如蓝细菌、红假单胞菌）进行固碳。通过在其表面包覆光催化剂（如CdS纳米颗粒），可以增强光能捕获，从而提升生物合成能力。此外，通过基因工程将人工固碳途径与光催化系统结合，也成功实现了非光合微生物（如大肠杆菌、酿酒酵母）的光驱动固碳。

生物电化学固碳

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  电酶耦合固碳：该系统利用电极表面产生的电子作为电子供体，驱动酶催化的CO₂还原反应。关键挑战在于电子耦合效率，研究者通过优化电极材料（如金属有机框架MOF、共轭聚合物）和电子介体，实现了高效的直接电子转移（DET）或介导电子转移（MET）。此外，辅因子（如NADH）的再生也是提升系统效率的关键。
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  微生物电合成系统（MES）：该系统利用电化学产生的电子或氢气，驱动阴极微生物（如产乙酸菌）将CO₂转化为有机化合物（如乙酸、甲烷）。通过代谢工程改造，MES已成功用于合成高附加值产品，如番茄红素和α-法尼烯。
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  微生物碳捕获电池（MCC）：该系统将微生物燃料电池（MFC）与MES相结合。阳极微生物降解有机废物产生电子和质子，阴极的光合微生物（如微藻）利用这些电子和质子，结合光能固定CO₂，实现了废水处理、发电和碳捕获的协同进行。

总结与展望

生物固碳技术是应对气候变化、实现碳中和目标的关键策略。尽管在自然途径优化、人工途径构建以及耦合系统开发方面取得了显著进展，但其大规模工业化应用仍面临效率、能耗和放大等挑战。未来，通过酶工程、代谢工程、人工智能优化以及生物-电化学-光化学耦合系统的深入开发，有望克服现有瓶颈，推动生物固碳技术在工业规模上的部署，为构建绿色循环经济做出重要贡献。