原文發(fā)表于《科技導報》2025 年第23 期 《 可再生能源驅動CO2生物轉化利用：技術融合與碳中和應用 》

可再生能源驅動CO2生物轉化利用是一種將清潔能源與生物技術相結合的新型碳中和技術，顯示出巨大潛力。本文綜述了清潔能源驅動CO2的生物轉化路徑；梳理了關鍵技術進展和重要案例；提出了構建“可再生能源—碳轉化—高值產品”可持續(xù)產業(yè)鏈，可實現(xiàn)CO2高值化學品的轉化，協(xié)同推進降碳減污擴綠增長，推動碳中和的發(fā)展。最終，提出建議未來研究應著力于高效生物?非生物界面的設計、動態(tài)代謝調控策略、低能耗且高經濟性集成技術工藝創(chuàng)新等。

在全球碳中和目標日益加速推進的背景下，世界各主要工業(yè)國家都率先提出并實施了一系列低碳經濟和減排政策。近年來，為應對全球氣候變化，實現(xiàn)碳達峰與碳中和國家戰(zhàn)略目標，實現(xiàn)CO2的高效利用與轉化已成為綠色革命的關鍵研究前沿和技術發(fā)展方向。

近年來，各國科學家們都致力于突破生物體利用瓶頸，達到高效能量轉換效率，力求實現(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、風能等）、生物質能等多種固碳形式是理想驅動CO2生物轉化的方式。可再生能源驅動CO2生物轉化利用的核心概念是利用光能、綠電（光伏、風能等）、地熱能/生物質能等驅動微生物/酶催化CO2轉化為有機物等其他碳儲存形式（圖1），構建CO2人工生物轉化技術。

圖1 可再生能源驅動CO2生物轉化利用

天然生物固碳轉化途徑中固碳酶結構復雜、活性低，且需依賴多次反應導致傳統(tǒng)生物固碳轉化途徑能量利用效率低、轉化速度慢，通常難以滿足工業(yè)應用需求。此外，光能、綠電（光伏、風能等）、生物質能等可再生能源會因天氣、時間和季節(jié)變化等因素出現(xiàn)間歇性。這些間歇性導致能量供應不穩(wěn)定，但生物轉化過程可以通過利用間歇性能源將有機物轉化為燃料、材料或高值化學品以提供能量儲存和穩(wěn)定的能源供應，以達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生物轉化的耦合協(xié)同問題，從能源類型與轉化路徑、關鍵技術路徑闡述可再生能源驅動CO2還原合成化學品的關鍵技術，并展望為實現(xiàn)碳中和應用進一步發(fā)展的方向。

1 可再生能源與生物轉化的耦合作用

可再生能源和生物轉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為原料生產經濟社會發(fā)展所需要的生物燃料、生物基材料、生物基化學品等產品，為碳中和提供了可持續(xù)、高效的解決方案。

1.1 能源類型與轉化路徑

1.1.1 光能驅動

利用可再生光能驅動CO2生物轉化是實現(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轉化成有機物和化學品如蛋白質、脂質和糖類等有價值的化學物質。然而，光能直接驅動CO2的生物合成模式存在固有缺陷，為此，研究人員開發(fā)了間接光驅動模式，即將光能轉化為其他能量形式（如電能、熱能或化學能），再驅動CO2還原為其他化學品。間接光驅動CO2能夠實現(xiàn)更高的能量利用效率和產物選擇性。歸根結底，天然光合作用系統(tǒng)的能量轉化效率低下，主要因為其吸收光譜窄和光能轉換過程中能量損耗巨大。因此，探索更高效的光能轉換和利用機制，耦合協(xié)同生物轉化以突破天然光合固碳效率低的固有缺陷，實現(xiàn)直接從CO2到化學品的生物轉化途徑具有極大應用潛力。

1.1.2 綠電（光伏、風能等）驅動

清潔能源電能是一種可廣泛來自光伏、風能的可再生能源。近年來，隨著綠色發(fā)電技術的發(fā)展，電能驅動CO2生物轉化引起了廣泛關注。電能有2種形式作用于生物轉化，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行生物合成。

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

1.1.3 地熱/生物質能驅動

此外，利用地核熱能的地熱能和來源于有機材料的生物質能與生物轉化過程相結合也是優(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。地熱能提供了一種穩(wěn)定的、可再生的熱源，可用于支持生物轉化中的生物過程。生物質是一種豐富、可持續(xù)、低成本的天然碳源，資源年產量達到1700億t，包括農業(yè)殘留物、食物垃圾或林業(yè)副產品等有機物質。當與地熱能相結合時，地熱資源的熱量可以促進微生物分解生物質，這種耦合提高了總體產量，減少了對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、風能等）和地熱/生物質能整體提高了CO2轉化和能源效率，提高了可再生能源系統(tǒng)的可靠性和靈活性，且增加了高值化學品的轉化。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)經濟方面具有顯著優(yōu)勢，最終有助于向更可持續(xù)和低碳能源的未來過渡。

1.2 能量傳遞與代謝調控

可再生能源驅動CO2生物轉化利用是通過利用可再生資源耦合微生物/酶系統(tǒng)實現(xiàn)能量?物質的高效轉化，其關鍵科學問題是跨尺度能量傳遞與動態(tài)代謝調控的協(xié)同機制。

• 在能量調控方面，光生電子通過半導體?生物界面[如鎳銅（NiCu）合金、硫化鎘（CdS）納米顆粒、碲化鎘量子點（CdTe QDs）]產生三磷酸腺苷（ATP）/還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）/H2驅動CO2還原進入細胞代謝網絡，該過程受生物?非生物界面上的電子轉移和利用效率的嚴格調控。

• 代謝調控層面，利用合成生物學工具[如光遺傳開關、CRISPR（CRISPRi）干擾]動態(tài)平衡碳流分配。

2 關鍵技術路徑與案例

可再生資源驅動CO2生物轉化利用是通過生物或生物雜交系統(tǒng)將CO2轉化為高附加值產物的關鍵技術，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，可再生資源驅動CO2生物利用相關研究不斷取得進展，已實現(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，利用光能驅動CO2生物轉化利用的技術主要有自然?人工雜合系統(tǒng)、光電微生物耦合等技術。構建人工光合系統(tǒng)提高固碳率，為高效轉化CO2提供新路徑。

人工光合作用系統(tǒng)原理是將半導體材料與微生物細胞相結合，借助半導體材料用來輔助細胞對光能的利用，通過無機或有機納米粒子將光能轉化為電子，模仿光合作用實現(xiàn)對太陽能的轉化和利用。

此外，由于大部分生物不能直接利用光能，且微藻的光能轉換效率仍然較低（3%~9%），優(yōu)化光能的吸收成為實現(xiàn)高效利用光能的關鍵。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)化輔因子再生是驅動CO2生物轉化的關鍵環(huán)節(jié)。調控細胞對輔因子的偏好性以增加胞內還原力的再生，能夠有效促進CO2的還原與轉化。另外，能夠利用太陽能電池將光能轉化為電子驅動電微生物轉化CO2。

2.2 綠電?生物系統(tǒng)

根據生物催化劑的不同，電能驅動CO2生物轉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還原為有價值的有機酸或醇類。微生物是廉價且能夠自我再生的催化劑，在溫和溫度下能夠實現(xiàn)超過80%的電能轉化為產物的轉化率。此外，除了菌種，對電極表面修飾、加入電子中介體、降低細胞通透性也是提高轉化效率的途徑。

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）等化學品。 FDH和羧化酶/脫羧酶的專利申請數量逐年增加，說明它們在輔酶再生和CO2固定方面的開發(fā)具有較大應用價值。

綠電是可再生能源的高價值載體，綠電驅動CO2生物轉化為碳中和目標下的能源轉型與碳循環(huán)提供了核心動力。

2.3 多能互補系統(tǒng)

為了提高可再生能源的利用率，將多種能源形式（如光能、風電、生物質能、儲能等）集成在一個協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)中即多能互補系統(tǒng)，是通過能源梯級利用、動態(tài)匹配與智能調控從而實現(xiàn)CO2的高效轉化的途徑。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、風能的季節(jié)差異，并通過代謝網絡調控優(yōu)化碳流流向目標產物。多能互補系統(tǒng)能夠突破單一可再生能源的限制，實現(xiàn)連續(xù)生產，提高了整體轉化效率，為建立碳循環(huán)經濟提供了技術支撐。

3 CO2生物轉化利用的科技挑戰(zhàn)與瓶頸問題

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

圖2 CO2生物轉化利用主要科技挑戰(zhàn)與問題

3.1 能量高效傳遞與轉化

克服CO2的化學惰性，需要大量能量的輸入。能量高效傳遞和轉化是CO2生物轉化中能否“進得多”的關鍵。解析生物體能量傳遞機制，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。創(chuàng)建新的電子傳遞通道，擴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、蛋白導線、量子點連接子等人工電子傳遞原件，整合納米催化材料，實現(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換形式，實現(xiàn)光能、電能、生物質能等多種能量形式向生物能的高效轉換。

3.2 CO2高效固定還原

如何實現(xiàn)CO2的C—O鍵高效活化并還原為C—H鍵或C—C鍵，是CO2生物轉化能否“固得快”的關鍵，也是實現(xiàn)由無機碳向有機碳轉化的核心步驟。需要解析催化劑表界面結構與CO2活化、C=O鍵斷裂、C—H鍵構筑的對應關系，設計構建常溫下有效降低CO2反應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、生物質能等不同可再生能源驅動CO2還原的反應動力學與多相流體傳質傳熱的匹配規(guī)律，解析可再生能源驅動關鍵酶催化機制和能量轉換形式，獲得CO2固定與能量耦合利用的最佳協(xié)同模式。

3.3 碳素定向生物轉化

將固定住的CO2快速、定向轉化到有價值的復雜分子是CO2生物轉化能否“用得好”的關鍵。為提高物質合成效率，創(chuàng)建面向工業(yè)應用和可工程化放大的新反應和新途徑，設計從CO2經還原反應生成中心代謝中間體，再到目標產品的定向合成路線；重構物質代謝調控網絡，增強到目標產品的代謝通量；整合能量傳遞、碳固定和物質合成模塊，實現(xiàn)CO2到目標產品的高效合成。

4 可持續(xù)性發(fā)展與產業(yè)化前景

光能、綠電（光伏、風能等）等可再生資源驅動的CO2生物轉化為高值化學品、燃料、材料和食品等在環(huán)境效益和經濟效益上具有顯著潛力。當以可再生能源為動力時，CO2的生物轉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轉化有助于建立一個更可持續(xù)和平衡的生態(tài)系統(tǒng)，減少對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。

利用可再生資源驅動CO2轉化利用不僅有顯著的環(huán)境效益，還有巨大的經濟效益。CO2被捕獲從而轉化為有價值的化學品、材料前體或食品添加劑，具有極大市場潛力并且有助于推動形成一個循環(huán)型的碳經濟體系。利用可再生資源轉化CO2，可以減少對化石燃料進口的依賴，增強國家的能源獨立性，促進穩(wěn)定的能源市場。此外，CO2的生物轉化能夠催生新的市場領域，為生物制造和生物創(chuàng)新產生新的機遇，包括可再生生物燃料、碳基化學品以及可持續(xù)食品生產。

未來研究發(fā)展應重點關注：

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

（2）構建動態(tài)代謝調控的智能平臺以實現(xiàn)多能互補系統(tǒng)的實時優(yōu)化；

（3）發(fā)展能耗低、經濟性高的集成技術工藝，減少單一過程對下游生產過程效率，提升工業(yè)生產魯棒性；

（4）跨學科融合“材料?能源?生物”，實現(xiàn)交叉創(chuàng)新。

利用可再生能源驅動CO2生物轉化，形成“可再生能源—碳轉化—高值產品”的可持續(xù)產業(yè)鏈，加緊經濟社會發(fā)展全面綠色轉型，協(xié)同推進降碳減污擴綠增長，推動碳中和的發(fā)展。

本文作者：張藝格、胡元森、王欽宏

作者簡介：張藝格，河南工業(yè)大學生物工程學院、中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所，低碳合成工程生物學全國重點實驗室，博士研究生，研究方向為低碳生物合成；胡元森 (通信作者)，河南工業(yè)大學生物工程學院，教授，研究方向為微生物學；王欽宏 (共同通信作者)，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所，低碳合成工程生物學全國重點實驗室，研究員，研究方向為工業(yè)生物進化與代謝工程。

文章來 源 ： 張藝格, 胡元森, 王欽宏. 可再生能源驅動CO2生物轉化利用：技術融合與碳中和應用[J]. 科技導報, 2025, 43(23): 61?69 .

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