课题研究背景

CO2是造成温室效应的气体之一，其过量排放导致全球性极端气候频发，严重威胁地球生命的生存[1]。我国是能源消耗大国，同时也是 CO2排放大国，当前面临着严重的能源危机和巨大的温室气体减排压力[2]。为此，在”十二五”科学和技术发展规划中，国家明确提出要”大力推进工业废气、燃煤烟气、机动车污染物、室内空气等净化技术与装备的研发及产业化，积极发展温室气体减排与资源化技术及装备。引导产业发展，改善环境质量”[3]。

化工、水泥、电力等行业是重要的CO2排放源，每年有大量的CO2被排放入空气中。以环氧乙烷合成工业为例，其生产方式主要以银催化乙烯直接氧化制备，但是在实际生产过程中，产生大量的CO2尾气（75-85%），属于高CO2排放企业。 如何实现CO2的有效减排，减少企业的制备成本，已成为一个越来越重要的问题。

目前用于固定或吸收CO2的处理方式主要有物理化学法、陆地/海洋填埋法和生物固定法。其中物理吸收法主要包括聚乙二醇二甲醚法、低温甲醇法、碳酸丙烯酯等法，是指在低温高压条件下，以水、甲醇、聚酯类等作为吸收剂，利用二氧化碳在这些溶剂中溶解度随压力变化而变化的原理，对二氧化碳进行吸收以达到分离脱除的目的，在分离过程中并不发生化学反应。此法适用于CO2分压较高的情况，但过程中存在分离效率低和成本高的不足。化学吸收法是指原料气和化学试剂在吸收塔内发生化学反应，二氧化碳被吸收至溶剂中成为富液，富液进入解析塔加热分解出二氧化碳从而达到分离回收二氧化碳的目的。该过程处理效果好，但能耗、投资大。海洋处理法主要是将工业燃放气中的二氧化碳分离回收并在指定海域将二氧化碳送入一定深度的海洋中。海洋储存尤其是深海储存是有可能实现大规模长期储存CO2的一种理想方式，但涉及技术经济、环境影响等一系列复杂的问题有待解决，距离实际应用尚远。地下填埋法则主要是将从燃放气中分离出的二氧化碳压入枯竭的油田、天然气田或是带水层，从而达到与大气隔离的目的。估算表明，地下蓄水层储存二氧化碳的容量为870亿吨，而废油气田的储存容量为1250亿吨。但是存在着潜在的问题，包括酸化对炭石造成的侵蚀、地下水污染及对地壳造成的不稳定性[4]。以上方法虽然可实现CO2的固定，但都存在一定的问题，尤其是CO2这一C1资源并未被充分利用，而是仅仅吸收或填埋，造成大量的C1资源的浪费。相比而言，生物固定法则可通过通过微生物代谢反应将CO2吸收并进入其代谢网络中，结合定向的代谢网络的改造，用于制备人类所需的化学品、能源等。该过程不仅实现了对CO2的固定，还有效的利用C1资源，符合绿色化学的要求[5]。目前，微藻因其较强的CO2固定能力被认为是具有潜力的CO2固定微生物[6]。研究者们已实现了改造微藻在固定CO2的同时制备糖类、生物能源和生物材料等[7,8]。但是需要指出的是，目前微藻对于高浓度CO2的耐受性能较差，其最高报导的CO2耐受范围为30%-40%，因此在含有高浓度CO2（75-85%）的环氧乙烷体系中，微藻无法进行正常的代谢[9,10]。为此，我们需要寻找可耐受高浓度CO2的微生物进行环氧乙烷尾气中CO2的固定。

厌氧生物法制备丁二酸是一个CO2固定过程，在葡萄糖经糖酵解生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）后，PEP 在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的作用下固定 1分子CO2，生成草酰乙酸(OAA)， OAA 经过苹果酸脱氢酶和富马酸还原酶的作用，最终生成丁二酸[11,12]。理论上，每生产1 kg丁二酸可固定0.37 kg CO2。目前已有一系列微生物包括大肠杆菌，产琥珀酸放线杆菌、酿酒酵母等被用于生物基丁二酸的生产过程，且都能在纯CO2情况下实现丁二酸的生产，故适合于工业环氧乙烷尾气体系[13,14]。另一方面，由于丁二酸是重要的C4平台化合物，广泛应用于医药、农药、染料、香料、油漆、食品、塑料等行业，全世界市场需求量已超过2.76#215;105 t/年[15]。因此，将环氧乙烷尾气与丁二酸生产过程耦合，不仅实现了CO2尾气的固定，还可制备生物基丁二酸，达到了”双赢”的目的。

参考文献

[1] Usui N., Ikenouchi M., The biological CO2 fixation and utilization project by RITE (1) - Highly effective photobioreactor systems. Energy Conversion and Managemen, 1997, 38: 487-492.

[2] Zhu N.Q., Xia H.H., Wang Z.W., Zhao X.M., Chen T., Engineering of acetate recycling and citrate synthase to improve aerobic succinate production in Corynebacterium glutamicu. Plos one, 2013, 8(4): e60659.

[3] 殷捷, 陈玉成. CO2的资源化研究进展. 环境科学动态,1999,4:20 -23.

[4] 李天成, 冯 霞, 李鑫钢. 二氧化碳处理技术现状及其发展趋势. 2002, 19 (2): 192-215.