环境生物学课件 CO2固定

1、微生物固碳及其在微生物固碳及其在COCO2 2吸收吸收 与资源化中的应用与资源化中的应用 1 2 Application of Carbon Fixation Micro-organisms in Absorption and Resources of CO2 3 CO2与重大环境问题 CO2固定及其资源化技术 微生物固碳原理及其应用 1. CO1. CO2 2与全球重大环境问题与全球重大环境问题 图1.1 全球人为温室气体排放 1.1 CO2排放量不断增长排放量不断增长 1. CO1. CO2 2与全球重大环境问题与全球重大环境问题 1.1 CO2排放量不断增长排放量不断增长 工业化前的稳态

2、全球C循环 海洋酸化 1.2 CO2引发的全球温室效应及其次生问题引发的全球温室效应及其次生问题 模式仅考虑自然强迫的模拟结果； 模式同时考虑自然和人为强迫的模拟结果； 观测结果 图1.2 全球和大陆温度变化 1. CO 1. CO2 2与全球重大环境问题与全球重大环境问题 莫纳罗亚（红色曲线）和南极（黑色曲莫纳罗亚（红色曲线）和南极（黑色曲 线）观测到的大气线）观测到的大气CO2浓度浓度 1. CO 1. CO2 2与全球重大问题与全球重大问题 土壤荒漠化土壤荒漠化 海平面上升海平面上升 灾害天气频发灾害天气频发 生物多样性减少生物多样性减少 土 地 荒 漠 化 1.2 CO2引发的全球温室

3、效应及其次生问题引发的全球温室效应及其次生问题 灾害天气频发生物多样性减少海平面上升 CO2的捕集的捕集/利用利用/封存方法主要有物理法、化学法封存方法主要有物理法、化学法 和生物法和生物法 2. CO2. CO2 2固定及其资源化技术固定及其资源化技术 物理法有冷却分离、地质封存、海洋封存和吸收液吸收等等物理法有冷却分离、地质封存、海洋封存和吸收液吸收等等 (1) 冷却分离：利用CO2具有在31、7.39 MPa下液化的特点，对烟气进行多级压缩和冷却可 使CO2液化得以分离。 (2) 地质封存：是直接将CO2注入地下的地质构造当中，如油田、天然气储层、含盐地层和不 可采煤层等都适合CO2的储

4、存。与地质封存关联的另一种处理方式是CO2的再 利用。即将CO2注入正接近枯竭的油田以提高石油采收。 (3) 海洋封存：利用目前CO2的海洋封存主要有2种方案：一种是通过船或管道将CO2输送到封 存地点，并注入1000 m以上深度的海中，使其自然溶解；另一种是将CO2注入 3000 m以上深度的海里，由于CO2的密度大于海水，因此会在海底形成固态的 CO2水化物或液态的CO2湖，从而大大延缓了CO2分解到环境中的过程。 (4) 液体吸收：通过改变CO2与吸收液之间的压力和温度可以达到吸收CO2的目的。常用的 吸收液有丙烯酸酯、甲醇、乙醇、聚乙二醇等高沸点有机溶剂，其吸附能力 取决于操作温度和压

5、力，气体的分压越高或温度越低，系统的吸收能力就越 强。 2. CO 2. CO2 2固定及其资源化技术固定及其资源化技术 2.1 2.1 物理法物理法 化学法有矿石碳化、吸收法、化学合成等化学法有矿石碳化、吸收法、化学合成等 (1) 矿石碳化：是利用CO2与金属氧化物发生反应生成稳定的碳酸盐从而将CO2永久 性地固化起来。 (2) 吸收法：则主要采用碱性溶液对CO2进行溶解分离。然后通过脱析分解分离出 CO2气体同时对溶剂进行再生，典型的化学吸收溶剂主要是K2CO3水溶 剂（再加少部分胺盐或钒、砷的氧化物）和乙醇胺类水溶液（如 MEA、DEA和MDEA等）。 (3) 化学合成：包括合成环状碳酸

6、酯、碳酸二甲酯(DMC)、环状尿素和环状尿烷。 CO2加入到环氧化物中合成环状碳酸酯已经工业化，但催化剂的研 制工作仍在继续。 2.2 2.2 化学法化学法 2. CO2. CO2 2固定及其资源化技术固定及其资源化技术 生物法固定CO2主要靠植物和微生物的作用。 绿色植物光合作用是地球上最为普遍、规模最大的反应 过程，在有机物合成、保持碳循环的稳定等方面起很大 作用。根据高等植物光合作用碳同化途径的不同，可将 植物划分成为C3植物、C4植物、C3C4中间植物等。 微生物固碳的环境适应性高于植物。固碳效率是植物 的510倍。 影响生物固碳效率的主要因素为固碳途径及其关键酶的 活性以及CO2固定

7、过程中所需能量的有效供给 2. CO2. CO2 2固定及其资源化技术固定及其资源化技术 2.3 2.3 生物法生物法 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 3.1 3.1 固定固定CO2微生物种类微生物种类 表表3.1 3.1 固定固定COCO2 2的微生物种类的微生物种类 碳源碳源能源能源好氧厌氧好氧厌氧微生物微生物 二二 氧氧 化化 碳碳 光能光能 好氧好氧 藻类藻类 蓝细菌蓝细菌 厌氧厌氧光合细菌光合细菌 化能化能 好氧好氧 硝化细菌硝化细菌 氢氢-氧化细菌氧化细菌 硫化细菌硫化细菌 铁细菌铁细菌 锰细菌锰细菌 一氧化碳细菌一氧化碳细菌 厌氧厌氧 甲烷菌甲烷菌

8、醋酸菌醋酸菌 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 3.2 3.2 微生物固定微生物固定CO2主要途径主要途径 自养微生物通过生物氧化（包括氧化磷酸化、光合磷 酸化和发酵）获取能量用于CO2的固定并以此作为自身生 长繁殖的碳源。 至今了解的微生物固定CO2途径主要有5条，即Calvin 循环途径、厌氧乙酰CoA途径、逆向TCA循环、3-羟基 丙酸/苹果酰-CoA循环(3-羟基丙酸/4-羟基丁酸酯循环)、 和甘氨酸途径，分布在不同种属的微生物中。 卡尔文循环是植物最主要的固碳途径，植物能利用其 合成淀粉等产物。大致可分为三个阶段，即羧化阶段、 还原阶段和再生阶段。而卡尔文

9、循环也是微生物固定 CO2的重要途径。 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 3.2.1 Calvin循环 *图中为核酮糖二磷酸羧化酶；为磷酸核酮糖激酶 Calvin循环的总式为： 6CO2 + 12NAD(P)H2 +18ATP C6H12O6 + 12NAD(P) +18ADP+18Pi 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 3.2.2 逆向TCA循环 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 3.2.3 羟基丙酸途径 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 3.2.4 厌氧乙酰CoA途径 *图中TH

10、F为四氢叶酸 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 3.2.5 甘氨酸途径 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 3.2.6 不同微生物固定CO2主要途径 1. Calvin循环 2. 逆向TCA循环 3. 厌氧乙酰-CoA途径和甘氨酸途径 4. 3-羟基丙酸/苹果酰-CoA循环 5. 3-羟基丙酸/4-羟基丁酸酯循环 环境中的微生物固碳可能是多种微生物的多个固碳途径的共同作用环境中的微生物固碳可能是多种微生物的多个固碳途径的共同作用 藻类氢氧化细菌 经济价值较高 产微藻能源 需光照培养 不耐高CO2浓度 生长速率快 环境适应性强 但培养中需要通

11、 入氢气 3.3 3.3 微生物固定微生物固定COCO2 2的应用研究的应用研究 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 3.4 3.4 微生物固碳技术的发展趋势微生物固碳技术的发展趋势 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 筛选在普通环境下高效固碳的微生物 开发高效的生物反应器 基因工程菌（关键酶） 高效电子供体的研究与开发 耦合固碳工艺 (1) 研究目的：研究目的： 处理工业废气 (1020CO2) 土壤改良 (2) 研究意义研究意义： 不仅可以起到减排工业CO2的目的，同时可实现农业CO2的减 排（土壤中二次固碳），是解决土壤荒漠化的可能途径

12、。 3.5 .5 不用供氢与光照的固碳微生物不用供氢与光照的固碳微生物 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 (3) 非光合固碳微生物的选育非光合固碳微生物的选育 非光合固碳微生物 样品来源：黄海、东海、 南海、南极海域的海水和 沉积物（南极样品由极地 所南极考察队提供)。 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 (4) 非光合固碳微生物的驯化非光合固碳微生物的驯化 好氧及厌氧条件下驯化 驯化时间好氧厌氧 驯化6个月约5037 微生物驯化后固碳能力增长量 3. 3. 微生物固碳及其资源化

13、技术微生物固碳及其资源化技术 (5) 非光合固碳微生物的工艺优化非光合固碳微生物的工艺优化 图2.3 好氧状况下培养4 d菌群TOC值(空白加硫酸铵） 不同电子供体的影响 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 不同筛选地的DGGE图谱 （6 6）非光合固碳微生物菌群的结构）非光合固碳微生物菌群的结构 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 加入不同电子供体的DGGE分析 割胶条带序列长度bpGenBank数据库中最相似菌种名称（序列号）相似度% 1-3189Uncultured bacterium clone(EU509144)96 2-4169M

14、arine bacterium Isolate 5(AY082665)98 3-10169Uncultured bacterium(EU574677)98 4-1169Marine bacterium HP22(AY239006)99 5-2189Uncultured bacterium(AY328485)97 6-5190Uncultured bacterium clone(EU857874)90 7-5194Uncultured Pseudomonas sp.( AF467304)100 8-3189Uncultured bacterium(EU652656)96 9-3169Alpha

15、proteobacterium DG1293(DQ486505)99 10-5169Uncultured Thioclava sp.( EU167470)98 11-3169Uncultured gamma proteobacterium(AY711683)99 12-1194 Uncultured Stenotrophomonas bacterium(EF562149) 98 13-5169Uncultured bacterium ( AB244004)98 14-7169 Marine alpha proteobacterium RS.Sph.020(DQ097294) 99 15-219

16、4Uncultured bacterium(EF034329)97 16-7169Marine bacterium SE83(AY038922)99 DGGE条带的序列比对结果 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 优势菌的系统发育树 （7 7）混合固碳微生物的优势）混合固碳微生物的优势 混合微生物形成一个二氧化碳同化系统，微生物间可能产生共生效应混合微生物形成一个二氧化碳同化系统，微生物间可能产生共生效应 （能量代谢与合成代谢的协同）（能量代谢与合成代谢的协同） 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 不同电子供体的菌群结构（a 来源于海水；b

17、来源于土壤； c 相似性） Autotrophic Microorganisms CO2 Organics Cellular components Exopolysaccharide Heterotrophic Microorganisms 1 2 3 4 5 Cellular components Organics （8 8）混合电子供体间交互作用）混合电子供体间交互作用 3. 3. 微生物固碳及其资源化技术微生物固碳及其资源化技术 多种电子供体间存在交互作用多种电子供体间存在交互作用（促进或者相互抑制）（促进或者相互抑制） 某一混合电子供体的固碳效率远高于三种单一电子供体固碳效率的加合某一混合电子供体的固碳效率远高于三种单一电子供体固碳效率的加合 （能量的供应效率和有效性）（能量的供应效率和有效性） 非光合固碳微生物非光合固碳微生物 的高密度培养的高密度培养 高传质低能耗的 生物反应器开发 高性能封闭式及 敞开式光生物反 应器开发 高效混合电子供体 综合过程控制技术 高效率固碳及高油脂高效率固碳及高油脂 产率的能源微藻光自产率的能源微藻光自 养培养养培养 能源微藻低成本能源微藻低成本 高效采收高效采收 非光