二氧化碳人工气候箱

由挪威奥斯陆国际气候与环境研究中心（CICERO）科学家领导的一个国际科研团队在6月7日出版的《通讯地球与环境》杂志上刊发论文称，泄漏的氢气对全球变暖的影响几乎是二氧化碳（CO2）的12倍。这是迄今对氢气气候影响最全面的评估，填补了相关知识的空白。研究示意图图片来源：《通讯地球与环境》杂志研究负责人、CICERO资深科学家玛丽亚桑德指出，与燃烧煤炭和含有CO2的气体会产生废气不同，燃烧氢气只会排放水蒸气和氧气。氢不是温室气体，但它在大气中的化学反应会影响甲烷、臭氧和平流层水蒸气等温室气体，因此生产、运输和使用过程中泄露出来的氢气会加剧全球变暖。桑德等人使用了5种不同的大气化学模型，研究了大气甲烷、臭氧和平流层水蒸气的变化。鉴于氢会与各种生物地球化学过程相互作用，因此，新研究囊括了土壤吸收、氢气的光化学产生、氢气和甲烷的寿命，以及氢气和甲烷之间的相互作用。结果表明，氢的全球变暖潜能值（GWP）为11.6——照惯例，CO2的GWP值为1。桑德指出，氢对气候的影响一直研究不足，这项研究是迄今对氢气气候影响最全面的评估。此前有些基于单模式研究的论文也证实了他们的最新估算值。研究清楚地表明了减少氢气泄漏的重要性，目前科学家们正在开发监测和检测氢气泄漏的技术。氢是能源转型的核心，转向氢经济的潜在好处将取决于氢泄漏的程度，以及氢能在多大程度上取代化石燃料。

此前，我国科学家在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。那么，二氧化碳除了可以“变”淀粉，还能“变”其他东西吗？ 答案是肯定的！ 4月28日，《自然催化》以封面文章的形式发表了一项最新研究成果。经过一年半的努力，我国科研人员通过电催化结合生物合成的方式，将二氧化碳高效还原合成高浓度乙酸，并进一步利用微生物合成葡萄糖和脂肪酸（油脂）。 这一成果由电子科技大学夏川课题组、中国科学院深圳先进技术研究院于涛课题组与中国科学技术大学曾杰课题组共同完成。 先把二氧化碳变成“食醋” 或许有人会问，人造的葡萄糖和油脂可以直接吃吗？好吃吗？ 对此，曾杰回应：“经过后续纯化处理，可以食用。” 那么，二氧化碳究竟是如何变成葡萄糖和油脂的？ “首先，我们需要把二氧化碳转化为可供微生物利用的原料，方便微生物发酵。”曾杰说，在常温常压条件下，清洁、高效的电催化技术是实现这个过程的理想选择，他们就此已经发展了成熟的电催化剂体系。 至于要转化为哪种原料，研究人员将目光瞄准了乙酸。因为它不仅是食醋的主要成分，也是一种优秀的生物合成碳源，可以转化为葡萄糖等其他生物物质。 “二氧化碳直接电解可以得到乙酸，但效率不高，所以我们采取‘两步走’策略——先高效得到一氧化碳，再从一氧化碳到乙酸。”曾杰说。 研究人员发现，一氧化碳通过脉冲电化学还原工艺形成的晶界铜催化合成乙酸的效率可高达52%。 不过，常规电催化装置生产出的乙酸混合着很多电解质盐，无法直接用于生物发酵。 所以，为了“喂饱”微生物，不仅要提升转化效率，保证“食物”的数量，还要得到不含电解质盐的纯乙酸，保证“食物”的质量。 “我们利用新型固态电解质反应装置，使用固态电解质代替传统电催化技术中的电解质盐溶液，直接得到了无需进一步分离的纯乙酸水溶液。”夏川介绍。 微生物“吃醋”产葡萄糖 得到乙酸后，研究人员尝试利用酿酒酵母这一微生物来合成葡萄糖。 “酿酒酵母主要用于奶酪、馒头、酿酒等发酵行业，同时也因其优秀的工业属性，常被用作微生物制造与细胞生物学研究的模式生物。”于涛说，利用酿酒酵母通过乙酸来合成葡萄糖的过程，就像是微生物在“吃醋”，酿酒酵母通过不断地“吃醋”来合成葡萄糖。 “然而，在这过程中，酿酒酵母本身也会代谢掉一部分葡萄糖，所以产量并不高。”于涛表示。 对此，研究团队通过敲除酿酒酵母中代谢葡萄糖的三个关键酶元件，废除了酿酒酵母代谢葡萄糖的能力。之后，实验中的工程酵母菌株在摇瓶发酵的条件下，合成的葡萄糖产量达到1.7g/L。 “我们利用这种生物酿酒酵母‘从无到有’地在克级水平合成了葡萄糖，这代表了该策略较高的生产水平与发展潜力。”于涛说，为进一步提升合成葡萄糖的产量，不仅要废除酿酒酵母的能力，还要加强它本身积累葡萄糖的能力。 于是，研究人员又敲除了两个疑似具备代谢葡萄糖能力的酶元件，同时插入来自泛菌属和大肠杆菌的葡萄糖磷酸酶元件。 于涛表示，泛菌属和大肠杆菌的葡萄糖磷酸酶元件可以“另辟蹊径”，将酵母体内其他通路中的磷酸分子转化为葡萄糖，增加了酵母菌积累葡萄糖的能力。经过改造后的工程酵母菌株的葡萄糖产量达到2.2g/L，产量提高了30%。 新型催化方式有坚实根基 更重要的是，近年来，随着新能源发电的迅速崛起，电力成本下降，二氧化碳电还原技术已经具备与依赖化石能源的传统化工工艺竞争的潜力。 同时，微生物作为活细胞工厂，其优点是产物多样性很高，能够合成许多无法通过人工生产或人工生产效率很低的化合物，是非常丰富的“物质合成工具箱”。比如，在人们常见的白酒、馒头、抗生素等食品药品的加工中，微生物就发挥着重要作用。 “这样，合成葡萄糖和油脂所需要的电力和微生物就有了保障，通过电催化结合生物合成的新型催化方式就有了坚实的根基。”夏川说。 对此，中国科学院院士、中国催化专业委员会主任李灿研究员评价，这项工作耦合了人工电合成与生物合成，发展了一条由水和二氧化碳到含能化学小分子乙酸，然后经工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和游离的脂肪酸等高附加值产物的新途径，为人工和半人工合成“粮食”提供了新的技术。 “该工作开辟了电化学结合活细胞催化制备葡萄糖等粮食产物的新策略，为进一步发展基于电力驱动的新型农业与生物制造业提供了新范例，是二氧化碳利用方面的重要发展方向。”中国科学院院士、上海交通大学教授邓子新说道。 同时，曾杰也强调，这项成果尚处于实验室的基础研究阶段，如果要推向实用，还需要进一步提高能量效率和产率，降低生产成本。 曾杰表示，接下来，研究团队将进一步研究电催化与生物发酵这两个平台的同配性和兼容性。未来，如果要合成淀粉、制造色素、生产药物等，只需保持电催化设施不改变，更换发酵使用的微生物就能实现。

编者注：如何理解这一突破的意义呢？中新网如此评价：“继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后，中国科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。”各位网友对此前景展开了脑洞大开的想象：首先，是对农业的影响，人工合成代替自然生产，粮食生产不再受限于土地面积。其次，碳中和问题，困扰全球的全球变暖有望通过这一途径得到解决。最后，宇宙探索，三位宇航员的吃播场面让我们大开眼界，但长期宇宙探索的食物供应仍是待解决的问题，这一突破可以解决二氧化碳充裕地区的食物供应问题，如火星、金星等。近期，中科院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得重大突破，国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。成果于9月24日在国际学术期刊《科学》上发表。淀粉是粮食最主要的成分，也是重要的工业原料。记者了解到，目前，人类使用的淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。由于淀粉合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。“农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产淀粉需要较长的生产周期和较大种植面积，需要使用大量土地、淡水等资源以及肥料、农药等农业生产资料。如果能设计人工生物系统，不依赖植物从二氧化碳合成淀粉，将是影响世界的重大颠覆性技术。”天津工业生物技术研究所所长马延和告诉记者。科研团队乔婧科研助理、蔡韬副研究员、马延和研究员、朱蕾蕾研究员、孙红兵科研助理（从左至右）在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室合影（9月16日摄）。新华社记者 金立旺 摄研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式，联合中科院大连化学物理研究所，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一（C1）化合物，然后通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六（C6）化合物，再进一步合成直链和支链淀粉（Cn化合物）。记者了解到，这一人工途径的淀粉合成速率是自然界中玉米淀粉合成速率的8.5倍。研究所副研究员、论文第一作者蔡韬表示，这一人工途径突破了传统植物低密度光能固碳转化的局限，使高效固定二氧化碳高效合成淀粉成为可能，为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础。据蔡韬介绍，在计算设计的人工途径中，获得碳一到碳三化合物直接聚合的生物酶催化剂是成功构建这条途径的核心关键。为此，研究团队从头设计构建了非自然碳碳缩合酶，实现了C1到C3化合物的直接聚合。进一步，研究团队从动物、植物、微生物等31个不同物种来源挖掘合适的生物酶催化剂，构建了一条只有11步主反应的人工合成淀粉途径，实现了从二氧化碳到淀粉的从头合成，将天然淀粉的羧化-还原-重排-聚合的复杂合成过程简化为人工淀粉的还原-聚合的合成过程，显著降低了合成的复杂度。这一设想也成为天津工业生物技术研究所瞄准的前沿方向。2015年，研究所以项目制模式布局二氧化碳到淀粉人工合成的攻关任务。几年时间里，研究团队从头设计了一条只需11步主反应的非自然二氧化碳固定与淀粉合成新途径，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。在中国科学院天津工业生物技术研究所实验室，科研人员展示人工合成淀粉样品（9月16日摄）。新华社记者 金立旺 摄由于缺少自然途径长期的进化过程，研究中面临的另一难题是不同物种的生物酶催化剂难以适配。针对这个问题，研究团队开发了模块组装优化与时空分离反应策略，通过别构调控优化、顺序分步反应创建，解决了人工途径中底物竞争、产物抑制、热/动力学匹配设计等问题，获得淀粉合成速率和效率显著提升的人工途径，实现直链淀粉和支链淀粉的可控合成。“按照目前的技术参数，在能量供给充足的条件下，1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地的玉米淀粉年平均产量，为淀粉生产的车间制造替代农业种植提供了一种可能。如果未来该系统过程的成本能够降低到具有经济可行性，将可能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的影响。”蔡韬告诉记者。这一成果得到国内外领域专家的高度评价，认为该工作是“典型的0到1的原创性突破”，不仅对未来的农业生产、特别是粮食生产具有重要影响，也对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。