捕获的二氧化碳电化学-生物杂化转化为生物产物

《Bioresource Technology》：Electrochemical-biological hybrid conversion of captured carbon dioxide to bioproducts

　　

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  面向产品的分析将电化学输出与生物途径联系起来。
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  中间体的适用性取决于代谢进入点和氧化还原作用。
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  耦合策略平衡了生物相容性、速率匹配和过程控制。
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  产品瓶颈涉及底物输送、碳路由和氧化还原损失。
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  规模化需要持续的整链运行，而不仅仅是单个模块的性能。

引言

日益增长的人为 CO₂ 排放加剧了对可持续碳管理的需求，而捕获的 CO₂ 代表了燃料、化学品和材料的潜在 C1 原料（Artz 等，2018 年）。与旨在通过长期地质封存防止排放的碳捕获与封存不同，CO₂ 资源化将选定的捕获 CO₂ 流转化为增值产品。因此，它可以通过为捕获的碳创造生产性用途来补充储存，并可能减少对化石来源原料的依赖（Hepburn 等，2019 年）。

CO₂ 资源化技术包括电化学、热化学、光化学/光催化和生物转化途径。热化学转化可以高效且可规模化，但通常需要高热能和高温度，而光化学和光催化路线可以直接利用太阳能，但仍在转化效率、催化剂稳定性和规模化方面面临限制（Awogbemi 和 Desai，2025 年）。相比之下，电化学转化可以在相对温和的条件下运行，并由低碳电力驱动，而催化剂选择和运行条件提供了对反应速率和产品分布的控制。因此，电化学 CO₂ 还原反应（CO₂RR）在水电解质系统中被广泛研究，用于生产 CO、甲酸盐、甲醇、乙酸盐、乙醇和其他还原化合物（Chang 等，2023 年，Choi 和 Hwang，2020 年，Nitopi 等，2019 年）。在这些系统中，CO₂ 在电极表面被激活，并通过耦合的质子 - 电子转移步骤进行转化。然而，在水电解质中，CO₂RR 与析氢反应（HER）竞争，因为这两个反应都消耗阴极电子并需要进入催化表面活性位点。在 HER 过程中，质子或水被还原为 H₂，从而将电流从碳产品形成中分流，降低了向 CO₂ 还原产物的法拉第效率（Ooka 等，2017 年）。CO₂RR 还受到通过 C–C 偶联选择性形成多碳产物的困难以及长期运行过程中催化剂活性或选择性损失的制约。

生物 CO₂ 转化利用微生物代谢或酶促反应在温和条件下高选择性地产生产生物质和其他增值产品，尽管气态底物输送可能会限制全细胞生产率（Bachleitner 等，2023 年）。面向生产的系统还受到许多天然 CO₂-固定微生物中稳定质粒和特征明确的启动子可用性有限的制约，这限制了异源产品途径的可靠引入和表达（Jin 等，2020 年）。高效生产还需要协调 CO₂ 固定、还原力产生、生物质形成和产品特异性通量，而无细胞系统仍然受到酶稳定性和负载以及辅因子再生的效率和成本的限制（Liang 等，2020 年，Luan 等，2024 年，Wang 等，2025 年）。

电化学 - 生物混合系统结合了电化学功能（包括 CO₂ 激活和还原当量生成）以及微生物或酶催化剂的选择性碳同化和产品形成（Bachleitner 等，2023 年，Stockl 等，2022 年）。根据系统不同，电化学模块可以生成生物可及的 CO₂ 衍生中间体，提供阴极还原当量，或同时执行这两种功能。在下游全细胞或无细胞合成中，这些输出可以支持碳同化、氧化还原代谢或两者兼有。已报道的系统包括微生物电合成（MES），在这种系统中，微生物在电化学反应器内接收阴极还原当量，以及电化学 - 生物级联，在这种系统中，电化学产生的 H₂ 或 CO₂ 衍生化合物（如 CO、甲酸盐和乙酸盐）被转移到生物模块（Prevoteau 等，2020 年，Zhang 等，2022 年）。

最近的综述按催化模式组织生物混合 CO₂ 转化，或专注于特定的中间体和宿主平台，例如产油酵母中的乙酸盐资源化（Chen 等，2025b 年，Jagtap 等，2026 年）。本综述则按目标产品组织已报道的系统，以比较电化学输出、生物催化剂、代谢或酶促进入点以及过程构型如何塑造生产策略和产品特异性瓶颈。它首先总结了基于酶和微生物的 CO₂ 转化平台及其局限性，然后按电子转移模式、过程构型以及通过 H₂ 或 CO₂ 衍生中间体的耦合对混合系统进行分类。随后按产品类别对已报道的系统进行比较，接着讨论生物、电化学和反应器层面的约束及研究优先事项。

章节片段

生物 CO₂ 转化系统及其局限性

生物 CO₂ 转化包括固定或还原 CO₂ 并将产生的碳导向生物质和增值产品的酶促反应和全细胞策略。虽然电化学转化在激活 CO₂ 形成相对简单的 C1 和 C2 中间体方面特别有效，但生物转化能够在温和条件下实现碳 - 碳键形成并进一步转化为结构复杂的产品（Bachleitner 等，2023 年）。生物

电化学 - 生物混合系统的概念与分类

电化学和生物系统在 CO₂ 激活和选择性产品形成方面提供互补功能。电化学 - 生物混合系统通过使用电化学模块提供阴极衍生的还原当量或生成用于生物转化的 CO₂ 衍生 C1/C2 中间体来连接这些功能（Li 等，2012 年，Liu 等，2016 年）。阴极衍生的还原当量支持微生物能量守恒和还原代谢或驱动

用于 CO₂ 衍生产品合成的电化学 - 生物混合策略

电化学 - 生物混合 CO₂ 转化系统可以用四个主要设计变量来描述：电化学中间体、生物催化剂形式、代谢或酶促途径以及反应器构型。大多数已报道的系统生成生物可及的碳中间体或还原当量，供全细胞微生物或无细胞酶促级联进行升级，尽管也探索了直接 MES（Lim 等，2023 年，Pan 等

展望与未来前景

天然 CO₂-固定微生物为生物 CO₂ 转化提供了生化基础，但它们在产品导向过程中的应用通常受到生长缓慢、产品谱系有限、气液传质以及宿主特异性生理需求的制约。电化学 - 生物混合系统可以通过使用电化学模块激活 CO₂ 并由此生成生物可及的碳中间体来解决其中一些局限性，或者根据

CRediT 作者贡献声明

Kim Junyeob: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，调查，概念化。 Lee Dayoon: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，调查，概念化。 Ho Joon Kim: 写作 – 审阅与编辑，概念化。 Eui Seok Lim: 写作 – 审阅与编辑。 Gyeongtaek Gong: 监督。 Ja Kyong Ko: 资金获取。 Youngsoon Um: 监督。 Sang Woo Seo: 监督。 Sung Ok Han: 监督。 Hyung-Suk Oh: 资金获取。 Lee Jeongchan:

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

这项工作得到了韩国研究基金会（NRF）由韩国政府（MSIT）资助的拨款（RS-2026-25528292 和 RS-2024-00359862）以及韩国科学技术院（KIST）机构项目（26E0311）的支持。

Kim Junyeob|Lee Dayoon|Ho Joon Kim|Eui Seok Lim|Gyeongtaek Gong|Ja Kyong Ko|Youngsoon Um|Sang Woo Seo|Sung Ok Han|Hyung-Suk Oh|Lee Jeongchan|Jung Ho Ahn