可再生能源驅(qū)動(dòng)二氧化碳生物轉(zhuǎn)化利用：技術(shù)融合與碳中和應(yīng)用

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025 年第23 期 《 可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化利用：技術(shù)融合與碳中和應(yīng)用 》

可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化利用是一種將清潔能源與生物技術(shù)相結(jié)合的新型碳中和技術(shù)，顯示出巨大潛力。本文綜述了清潔能源驅(qū)動(dòng)CO2的生物轉(zhuǎn)化路徑；梳理了關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展和重要案例；提出了構(gòu)建“可再生能源—碳轉(zhuǎn)化—高值產(chǎn)品”可持續(xù)產(chǎn)業(yè)鏈，可實(shí)現(xiàn)CO2高值化學(xué)品的轉(zhuǎn)化，協(xié)同推進(jìn)降碳減污擴(kuò)綠增長(zhǎng)，推動(dòng)碳中和的發(fā)展。最終，提出建議未來研究應(yīng)著力于高效生物?非生物界面的設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)代謝調(diào)控策略、低能耗且高經(jīng)濟(jì)性集成技術(shù)工藝創(chuàng)新等。

在全球碳中和目標(biāo)日益加速推進(jìn)的背景下，世界各主要工業(yè)國(guó)家都率先提出并實(shí)施了一系列低碳經(jīng)濟(jì)和減排政策。近年來，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)CO2的高效利用與轉(zhuǎn)化已成為綠色革命的關(guān)鍵研究前沿和技術(shù)發(fā)展方向。

近年來，各國(guó)科學(xué)家們都致力于突破生物體利用瓶頸，達(dá)到高效能量轉(zhuǎn)換效率，力求實(shí)現(xiàn)固碳形式多元化，使固碳途徑更高效。由于CO2的高效活化需要大量能量，因此，借助可再生能源，如光能、綠電（光伏、風(fēng)能等）、生物質(zhì)能等多種固碳形式是理想驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化的方式。可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化利用的核心概念是利用光能、綠電（光伏、風(fēng)能等）、地?zé)崮?生物質(zhì)能等驅(qū)動(dòng)微生物/酶催化CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)物等其他碳儲(chǔ)存形式（圖1），構(gòu)建CO2人工生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。

圖1 可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化利用

天然生物固碳轉(zhuǎn)化途徑中固碳酶結(jié)構(gòu)復(fù)雜、活性低，且需依賴多次反應(yīng)導(dǎo)致傳統(tǒng)生物固碳轉(zhuǎn)化途徑能量利用效率低、轉(zhuǎn)化速度慢，通常難以滿足工業(yè)應(yīng)用需求。此外，光能、綠電（光伏、風(fēng)能等）、生物質(zhì)能等可再生能源會(huì)因天氣、時(shí)間和季節(jié)變化等因素出現(xiàn)間歇性。這些間歇性導(dǎo)致能量供應(yīng)不穩(wěn)定，但生物轉(zhuǎn)化過程可以通過利用間歇性能源將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為燃料、材料或高值化學(xué)品以提供能量?jī)?chǔ)存和穩(wěn)定的能源供應(yīng)，以達(dá)到抵消可再生能源的間歇性。

我們的研究主要圍繞可再生能源與CO2生物轉(zhuǎn)化的耦合協(xié)同問題，從能源類型與轉(zhuǎn)化路徑、關(guān)鍵技術(shù)路徑闡述可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2還原合成化學(xué)品的關(guān)鍵技術(shù)，并展望為實(shí)現(xiàn)碳中和應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展的方向。

1 可再生能源與生物轉(zhuǎn)化的耦合作用

可再生能源和生物轉(zhuǎn)化的耦合作用是指可再生能源與生物過程的協(xié)同整合，利用CO2為原料生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所需要的生物燃料、生物基材料、生物基化學(xué)品等產(chǎn)品，為碳中和提供了可持續(xù)、高效的解決方案。

1.1 能源類型與轉(zhuǎn)化路徑

1.1.1 光能驅(qū)動(dòng)

利用可再生光能驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化是實(shí)現(xiàn)低碳生物合成的途徑之一。植物、藻類等光合生物能夠直接或間接利用光能將CO2轉(zhuǎn)化成有機(jī)物和化學(xué)品如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和糖類等有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)。然而，光能直接驅(qū)動(dòng)CO2的生物合成模式存在固有缺陷，為此，研究人員開發(fā)了間接光驅(qū)動(dòng)模式，即將光能轉(zhuǎn)化為其他能量形式（如電能、熱能或化學(xué)能），再驅(qū)動(dòng)CO2還原為其他化學(xué)品。間接光驅(qū)動(dòng)CO2能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能量利用效率和產(chǎn)物選擇性。歸根結(jié)底，天然光合作用系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率低下，主要因?yàn)槠湮展庾V窄和光能轉(zhuǎn)換過程中能量損耗巨大。因此，探索更高效的光能轉(zhuǎn)換和利用機(jī)制，耦合協(xié)同生物轉(zhuǎn)化以突破天然光合固碳效率低的固有缺陷，實(shí)現(xiàn)直接從CO2到化學(xué)品的生物轉(zhuǎn)化途徑具有極大應(yīng)用潛力。

1.1.2 綠電（光伏、風(fēng)能等）驅(qū)動(dòng)

清潔能源電能是一種可廣泛來自光伏、風(fēng)能的可再生能源。近年來，隨著綠色發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，電能驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化引起了廣泛關(guān)注。電能有2種形式作用于生物轉(zhuǎn)化，分別是直接式和間接式。

• 直接式是在電極上直接通過與電活性微生物或酶接觸進(jìn)行生物合成。

• 間接式是利用電能間接式輔助CO2轉(zhuǎn)化（在電極上產(chǎn)生電子受體分子或生物轉(zhuǎn)化的中間原料）。

1.1.3 地?zé)?生物質(zhì)能驅(qū)動(dòng)

此外，利用地核熱能的地?zé)崮芎蛠碓从谟袡C(jī)材料的生物質(zhì)能與生物轉(zhuǎn)化過程相結(jié)合也是優(yōu)化能源效率，減少碳排放，提高資源利用率的理想途徑之一。地?zé)崮芴峁┝艘环N穩(wěn)定的、可再生的熱源，可用于支持生物轉(zhuǎn)化中的生物過程。生物質(zhì)是一種豐富、可持續(xù)、低成本的天然碳源，資源年產(chǎn)量達(dá)到1700億t，包括農(nóng)業(yè)殘留物、食物垃圾或林業(yè)副產(chǎn)品等有機(jī)物質(zhì)。當(dāng)與地?zé)崮芟嘟Y(jié)合時(shí)，地?zé)豳Y源的熱量可以促進(jìn)微生物分解生物質(zhì)，這種耦合提高了總體產(chǎn)量，減少了對(duì)外部能源投入的需求，減少了能源系統(tǒng)的總體碳足跡，從而有助于建立一個(gè)更可持續(xù)和低碳的能源系統(tǒng)。

綜上所述，可再生能源，包括光能、綠電（光伏、風(fēng)能等）和地?zé)?生物質(zhì)能整體提高了CO2轉(zhuǎn)化和能源效率，提高了可再生能源系統(tǒng)的可靠性和靈活性，且增加了高值化學(xué)品的轉(zhuǎn)化。這些系統(tǒng)的整合在能源效率、環(huán)境影響資源利用、循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，最終有助于向更可持續(xù)和低碳能源的未來過渡。

1.2 能量傳遞與代謝調(diào)控

可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化利用是通過利用可再生資源耦合微生物/酶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量?物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化，其關(guān)鍵科學(xué)問題是跨尺度能量傳遞與動(dòng)態(tài)代謝調(diào)控的協(xié)同機(jī)制。

• 在能量調(diào)控方面，光生電子通過半導(dǎo)體?生物界面[如鎳銅（NiCu）合金、硫化鎘（CdS）納米顆粒、碲化鎘量子點(diǎn)（CdTe QDs）]產(chǎn)生三磷酸腺苷（ATP）/還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）/H2驅(qū)動(dòng)CO2還原進(jìn)入細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)，該過程受生物?非生物界面上的電子轉(zhuǎn)移和利用效率的嚴(yán)格調(diào)控。

• 代謝調(diào)控層面，利用合成生物學(xué)工具[如光遺傳開關(guān)、CRISPR（CRISPRi）干擾]動(dòng)態(tài)平衡碳流分配。

2 關(guān)鍵技術(shù)路徑與案例

可再生資源驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化利用是通過生物或生物雜交系統(tǒng)將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物的關(guān)鍵技術(shù)，核心在于能量輸入（光能、綠電等）與生物催化（酶或微生物）的高效協(xié)同。近年來，可再生資源驅(qū)動(dòng)CO2生物利用相關(guān)研究不斷取得進(jìn)展，已實(shí)現(xiàn)了包括甲醇（CH3OH）、乙酸（CH3COOH）、異丙醇（H3H8O）和糖類等化合品的合成。

2.1 光能?生物系統(tǒng)

目前，利用光能驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化利用的技術(shù)主要有自然?人工雜合系統(tǒng)、光電微生物耦合等技術(shù)。構(gòu)建人工光合系統(tǒng)提高固碳率，為高效轉(zhuǎn)化CO2提供新路徑。

人工光合作用系統(tǒng)原理是將半導(dǎo)體材料與微生物細(xì)胞相結(jié)合，借助半導(dǎo)體材料用來輔助細(xì)胞對(duì)光能的利用，通過無機(jī)或有機(jī)納米粒子將光能轉(zhuǎn)化為電子，模仿光合作用實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的轉(zhuǎn)化和利用。

此外，由于大部分生物不能直接利用光能，且微藻的光能轉(zhuǎn)換效率仍然較低（3%~9%），優(yōu)化光能的吸收成為實(shí)現(xiàn)高效利用光能的關(guān)鍵。通過代謝工程改造微生物的捕光能力是提高光合速率的有效策略。

此外，由于CO2的還原需要大量的還原力，優(yōu)化輔因子再生是驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。調(diào)控細(xì)胞對(duì)輔因子的偏好性以增加胞內(nèi)還原力的再生，能夠有效促進(jìn)CO2的還原與轉(zhuǎn)化。另外，能夠利用太陽能電池將光能轉(zhuǎn)化為電子驅(qū)動(dòng)電微生物轉(zhuǎn)化CO2。

2.2 綠電?生物系統(tǒng)

根據(jù)生物催化劑的不同，電能驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化利用可以分為微生物電合成和酶?電催化。

微生物電合成是利用電活性微生物從電極處獲得電子，將CO2還原為有價(jià)值的有機(jī)酸或醇類。微生物是廉價(jià)且能夠自我再生的催化劑，在溫和溫度下能夠?qū)崿F(xiàn)超過80%的電能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。此外，除了菌種，對(duì)電極表面修飾、加入電子中介體、降低細(xì)胞通透性也是提高轉(zhuǎn)化效率的途徑。

酶?電催化是將氧化還原酶固定在電極表面，利用電子催化CO2還原為甲酸、甲醇、一氧化碳（CO）、乙烯（C2H4）、乙醇、丙醇（C3H8O）等化學(xué)品。 FDH和羧化酶/脫羧酶的專利申請(qǐng)數(shù)量逐年增加，說明它們?cè)谳o酶再生和CO2固定方面的開發(fā)具有較大應(yīng)用價(jià)值。

綠電是可再生能源的高價(jià)值載體，綠電驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化為碳中和目標(biāo)下的能源轉(zhuǎn)型與碳循環(huán)提供了核心動(dòng)力。

2.3 多能互補(bǔ)系統(tǒng)

為了提高可再生能源的利用率，將多種能源形式（如光能、風(fēng)電、生物質(zhì)能、儲(chǔ)能等）集成在一個(gè)協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)中即多能互補(bǔ)系統(tǒng)，是通過能源梯級(jí)利用、動(dòng)態(tài)匹配與智能調(diào)控從而實(shí)現(xiàn)CO2的高效轉(zhuǎn)化的途徑。該系統(tǒng)能夠有效解決單一可再生資源如光能的晝夜波動(dòng)、風(fēng)能的季節(jié)差異，并通過代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控優(yōu)化碳流流向目標(biāo)產(chǎn)物。多能互補(bǔ)系統(tǒng)能夠突破單一可再生能源的限制，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，提高了整體轉(zhuǎn)化效率，為建立碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供了技術(shù)支撐。

3 CO2生物轉(zhuǎn)化利用的科技挑戰(zhàn)與瓶頸問題

利用可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2的生物轉(zhuǎn)化，為可持續(xù)的碳捕獲、利用和轉(zhuǎn)化開辟了一條重要的途徑。然而，生產(chǎn)成本高是可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2的生物轉(zhuǎn)化的主要瓶頸，面臨能效、速率、產(chǎn)量挑戰(zhàn)，需解決能量利用、固碳還原、定向合成系統(tǒng)調(diào)控等科學(xué)問題，大幅降低生產(chǎn)成本（圖2）。

圖2 CO2生物轉(zhuǎn)化利用主要科技挑戰(zhàn)與問題

3.1 能量高效傳遞與轉(zhuǎn)化

克服CO2的化學(xué)惰性，需要大量能量的輸入。能量高效傳遞和轉(zhuǎn)化是CO2生物轉(zhuǎn)化中能否“進(jìn)得多”的關(guān)鍵。解析生物體能量傳遞機(jī)制，建立電子通道理論，為開發(fā)普適性的能量傳遞元件奠定理論基礎(chǔ)。創(chuàng)建新的電子傳遞通道，擴(kuò)大生物電子傳遞的通量，提高能量傳遞效率。開發(fā)電子載體、蛋白導(dǎo)線、量子點(diǎn)連接子等人工電子傳遞原件，整合納米催化材料，實(shí)現(xiàn)生物體可以直接利用高密度能量形式。突破自然生物能量轉(zhuǎn)換形式，實(shí)現(xiàn)光能、電能、生物質(zhì)能等多種能量形式向生物能的高效轉(zhuǎn)換。

3.2 CO2高效固定還原

如何實(shí)現(xiàn)CO2的C—O鍵高效活化并還原為C—H鍵或C—C鍵，是CO2生物轉(zhuǎn)化能否“固得快”的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)由無機(jī)碳向有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的核心步驟。需要解析催化劑表界面結(jié)構(gòu)與CO2活化、C=O鍵斷裂、C—H鍵構(gòu)筑的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)構(gòu)建常溫下有效降低CO2反應(yīng)活化能的新型催化劑，提高C—O鍵活化還原成C—H鍵或C—C鍵的效率，闡明光能、電能、生物質(zhì)能等不同可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2還原的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與多相流體傳質(zhì)傳熱的匹配規(guī)律，解析可再生能源驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵酶催化機(jī)制和能量轉(zhuǎn)換形式，獲得CO2固定與能量耦合利用的最佳協(xié)同模式。

3.3 碳素定向生物轉(zhuǎn)化

將固定住的CO2快速、定向轉(zhuǎn)化到有價(jià)值的復(fù)雜分子是CO2生物轉(zhuǎn)化能否“用得好”的關(guān)鍵。為提高物質(zhì)合成效率，創(chuàng)建面向工業(yè)應(yīng)用和可工程化放大的新反應(yīng)和新途徑，設(shè)計(jì)從CO2經(jīng)還原反應(yīng)生成中心代謝中間體，再到目標(biāo)產(chǎn)品的定向合成路線；重構(gòu)物質(zhì)代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)到目標(biāo)產(chǎn)品的代謝通量；整合能量傳遞、碳固定和物質(zhì)合成模塊，實(shí)現(xiàn)CO2到目標(biāo)產(chǎn)品的高效合成。

4 可持續(xù)性發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化前景

光能、綠電（光伏、風(fēng)能等）等可再生資源驅(qū)動(dòng)的CO2生物轉(zhuǎn)化為高值化學(xué)品、燃料、材料和食品等在環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益上具有顯著潛力。當(dāng)以可再生能源為動(dòng)力時(shí)，CO2的生物轉(zhuǎn)化直接有助于減少溫室氣體排放。此外，與化石燃料相比，通過將可持續(xù)性的可再生能源融入生物CO2轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中，這些過程中所使用的能源本身就是可持續(xù)的，從而減少了對(duì)不可再生能源（例如傳統(tǒng)石油和天然氣）的依賴。將可再生能源用于生物CO2轉(zhuǎn)化有助于建立一個(gè)更可持續(xù)和平衡的生態(tài)系統(tǒng)，減少對(duì)污染性且消耗性化石燃料資源的需求，最終有助于減輕環(huán)境退化。

利用可再生資源驅(qū)動(dòng)CO2轉(zhuǎn)化利用不僅有顯著的環(huán)境效益，還有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。CO2被捕獲從而轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品、材料前體或食品添加劑，具有極大市場(chǎng)潛力并且有助于推動(dòng)形成一個(gè)循環(huán)型的碳經(jīng)濟(jì)體系。利用可再生資源轉(zhuǎn)化CO2，可以減少對(duì)化石燃料進(jìn)口的依賴，增強(qiáng)國(guó)家的能源獨(dú)立性，促進(jìn)穩(wěn)定的能源市場(chǎng)。此外，CO2的生物轉(zhuǎn)化能夠催生新的市場(chǎng)領(lǐng)域，為生物制造和生物創(chuàng)新產(chǎn)生新的機(jī)遇，包括可再生生物燃料、碳基化學(xué)品以及可持續(xù)食品生產(chǎn)。

未來研究發(fā)展應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：

（1）高效生物?非生物界面的設(shè)計(jì)、開發(fā)光捕獲材料、高效電活性生物膜的設(shè)計(jì)、關(guān)鍵酶的高活性改造以提高能源轉(zhuǎn)化效率；

（2）構(gòu)建動(dòng)態(tài)代謝調(diào)控的智能平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化；

（3）發(fā)展能耗低、經(jīng)濟(jì)性高的集成技術(shù)工藝，減少單一過程對(duì)下游生產(chǎn)過程效率，提升工業(yè)生產(chǎn)魯棒性；

（4）跨學(xué)科融合“材料?能源?生物”，實(shí)現(xiàn)交叉創(chuàng)新。

利用可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化，形成“可再生能源—碳轉(zhuǎn)化—高值產(chǎn)品”的可持續(xù)產(chǎn)業(yè)鏈，加緊經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，協(xié)同推進(jìn)降碳減污擴(kuò)綠增長(zhǎng)，推動(dòng)碳中和的發(fā)展。

本文作者：張藝格、胡元森、王欽宏

作者簡(jiǎn)介：張藝格，河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，低碳合成工程生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，博士研究生，研究方向?yàn)榈吞忌锖铣桑缓?(通信作者)，河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，教授，研究方向?yàn)槲⑸飳W(xué)；王欽宏 (共同通信作者)，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，低碳合成工程生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究員，研究方向?yàn)楣I(yè)生物進(jìn)化與代謝工程。

文章來 源 ： 張藝格, 胡元森, 王欽宏. 可再生能源驅(qū)動(dòng)CO2生物轉(zhuǎn)化利用：技術(shù)融合與碳中和應(yīng)用[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(23): 61?69 .

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