生物酶技術(shù)在二氧化碳轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用研究進展

劉 戀，王 新，高子馨，鮑 佳

（沈陽工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

由于溫室氣體的大量排放，全球變暖已成為地球面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。二氧化碳（CO2）的不節(jié)制排放是導(dǎo)致全球變暖的主要原因。減少CO2排放、開發(fā)低耗高效的CO2資源化利用新技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急［1］。基于在CO2轉(zhuǎn)化中的獨特優(yōu)勢，生物酶技術(shù)逐漸引起了人們的關(guān)注。在已發(fā)現(xiàn)的自然界6條天然固碳途徑中，大部分是由核心固碳酶催化完成固碳。但這些核心固碳酶催化速率慢，反應(yīng)過程復(fù)雜，且難以對其進行改造和優(yōu)化。構(gòu)建新型生物固碳酶，克服傳統(tǒng)固碳酶的不足，提升其催化活性，已成為合成生物學(xué)領(lǐng)域的一個重要課題［2］。另外，在CO2的循環(huán)利用領(lǐng)域，生物酶催化因其高效、高選擇性、條件溫和等優(yōu)勢而備受青睞。碳酸酐酶（CA）和甲酸脫氫酶（FDH）是催化過程中關(guān)鍵的兩種酶，前者能極大地促進CO2的水合，后者能將CO2還原為甲酸，二者協(xié)同能提高CO2的還原速率。但在實際生產(chǎn)中，由于溫度、pH等原因，酶易失去活性［3］，故需對其穩(wěn)定性進行深入研究。通過對生物酶進行固定化，可提高其穩(wěn)定性。

本文介紹了天然及人工固碳途徑中核心固碳酶的改造與設(shè)計，總結(jié)了CA和FDH的固定化及其在CO2資源化轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用研究進展，以期為其工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 生物酶在固碳途徑中的改造與設(shè)計

1.1 天然固碳途徑中固碳酶的改造與表達

卡爾文循環(huán)是最主要的天然固碳途徑，其核心是核酮糖-1，5-雙磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）。近年來，大量研究對卡爾文循環(huán)進行了改造優(yōu)化，其中的大多數(shù)集中在對Rubisco的改造優(yōu)化上。CAI等［4］開發(fā)了一種基于大腸桿菌的活性導(dǎo)向選擇系統(tǒng)，該系統(tǒng)將宿主細胞的生長僅與其中的Rubisco的活性相關(guān)聯(lián)，通過一輪進化得到的PCC7002 Rubisco突變體，其比羧化活性提高了85%，對CO2的催化效率提高了45%。GLEIZER等［5］設(shè)計并進化了大腸桿菌，可將CO2轉(zhuǎn)化為所有生物質(zhì)碳，利用Rubisco和磷酸核酮糖激酶與FDH共表達，通過卡爾文循環(huán)實現(xiàn)了CO2的固定和還原。

乙酰輔酶A羧化酶（ACC）和丙酰輔酶羧化酶（PCC）是3-羥基丙酸雙循環(huán)的核心固碳酶，可通過進化改造提高其固碳性能。LIU等［6］在重組大腸桿菌中表達了7種來自不同微生物的PCCB基因編碼CT亞基，來自枯草芽孢桿菌的PCCB表現(xiàn)出最高的體外活性，通過定向進化進一步提升其活性，得到的新型PCC的總催化效率提高了94倍。

二羧酸/4-羥基丁酸循環(huán)的核心固碳酶磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（PEPC）活性高且結(jié)構(gòu)簡單，故相關(guān)研究主要是以PEPC為核心固碳酶設(shè)計人工固碳途徑。BAR-EVEN等［7］使用PEPC，構(gòu)建了新型替代碳固定途徑—丙二酰輔酶A-草酰乙酸-乙醛酸（MOG）途徑，與卡爾文循環(huán)相比，MOG途徑的通路特異性活性高出2～3倍。BOUZON等［8］利用PEPC將CO2轉(zhuǎn)化為甲醛，然后將其轉(zhuǎn)移至四氫葉酸中，進行后續(xù)反應(yīng)。YU等［9］利用PEPC設(shè)計了蘋果酰輔酶A-甘油酸途徑（MCG），以補充卡爾文循環(huán)的不足，從而有效合成乙酰輔酶A，該途徑在光合生物聚球藻中實施后，使碳酸氫鹽同化速率提高了約2倍。

1.2 利用高效固碳酶的人工生物固碳

除了天然固碳途徑中的固碳酶外，自然界中仍有許多活性很高的固碳酶。以這些固碳酶為基礎(chǔ)設(shè)計全新固碳途徑以實現(xiàn)人工生物固碳，是提高固碳效率的有效途徑。

XIAO等［10］利用丙酮酸合酶設(shè)計了僅包含4個反應(yīng)的最小化人工固碳循環(huán)—POAP循環(huán)。該POAP循環(huán)可在每個步驟中將兩分子CO2轉(zhuǎn)化為一分子草酸鹽，代價是兩分子ATP（三磷酸腺苷）和一還原當(dāng)量（NAD（P）H（還原型輔酶Ⅰ/Ⅱ）形式）。該POAP循環(huán)可在50 ℃的厭氧條件下運行，固碳速率達到8.0 nmol/（min·mg）（以固碳酶計）。SIEGEL等［11］通過計算設(shè)計獲得了一種甲醛酶（FLS），F(xiàn)LS催化碳化反應(yīng)可直接將一碳單元固定成三碳單元。利用FLS設(shè)計了一種新的固碳途徑，即甲醛酶途徑，該途徑比任何天然單碳同化途徑利用碳更有效，并且具有更少的反向通量。SCHWANDER等［12］設(shè)計了一種在體外連續(xù)固定CO2的人工循環(huán)—巴豆酰輔酶A/乙基丙二酰輔酶A/羥基丁酰輔酶A（CETCH）循環(huán)。CETCH循環(huán)是一個由17種酶組成的反應(yīng)體系，以5 nmol/（min·mg）（以核心固碳酶計）的速率將CO2轉(zhuǎn)化為有機分子，比自然生物系統(tǒng)的效率更高，為6種天然固碳途徑增加了人工替代途徑。2021年，人工生物固碳領(lǐng)域又迎來了重大突破。CAI等［13］報道了一種在無細胞系統(tǒng)中由CO2和H2合成淀粉的化學(xué)-生物化學(xué)混合途徑—人工淀粉合成代謝途徑（ASAP）。該途徑由11個核心反應(yīng)組成，在時空隔離的化學(xué)酶系統(tǒng)中，在氫氣驅(qū)動下，以22.0 nmol/（min·mg）（以總催化劑計）的速率將CO2轉(zhuǎn)化為淀粉，較玉米中淀粉合成速率高約8.5倍。該途徑為未來利用CO2合成生化雜交淀粉提供了思路。

1.3 小結(jié)

目前，對CO2固定途徑的研究逐漸從天然固碳途徑的改造與優(yōu)化，過渡為人工固碳途徑的全新設(shè)計、構(gòu)建與應(yīng)用。研究人員通過強化CO2羧化途徑、優(yōu)化CO2固定能量供給來提高CO2固定效率，通過重構(gòu)CO2固定途徑、開發(fā)設(shè)計全新的人工固碳途徑來更好地實現(xiàn)CO2的資源化利用［14］。全新人工固碳途徑與傳統(tǒng)卡爾文循環(huán)的比較見表1。

表1 全新人工固碳途徑與傳統(tǒng)卡爾文循環(huán)的比較

2 CA催化CO2吸收

CA是一種鋅基金屬酶，通常存在于自然界的哺乳動物、植物、藻類、古生菌、脊椎動物和細菌中。它調(diào)節(jié)著人類和其他生物體的生物過程，其最主要的功能是催化CO2的可逆水合反應(yīng)。單純的CO2水合過程十分緩慢，一級反應(yīng)速率常數(shù)僅為5×10-2s-1，但CA將CO2轉(zhuǎn)化為碳酸氫鹽的速率非?？欤珻A周轉(zhuǎn)率為每分子CA每秒104～106分子CO2，是捕獲封存CO2的最優(yōu)酶［15］。

但CA酶對工作條件要求較高，且難以回收與再循環(huán)，這限制了其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。此外，使用游離酶會使酶總成本變得很高，酶變性會導(dǎo)致酶水化活性隨著時間推移而逐漸喪失。酶固定化可以解決這些問題，使反應(yīng)器設(shè)計更加靈活，同時提高了酶的回收率、穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性，降低了酶的總成本。

2.1 CA固定化載體材料

為了有效地重復(fù)使用酶，并降低封存過程成本，研究人員嘗試在各種材料上固定CA。載體材料對生物催化體系的性能有重要影響，選擇時應(yīng)考慮成本、功能基團可用性、機械穩(wěn)定性、生物降解性等特性［16］。

在酶的固定化方面，二氧化硅（SiO2）是應(yīng)用最廣泛的無機載體材料之一。硅基材料的使用形式多樣，如溶膠-凝膠SiO2、SiO2納米顆粒等［17］，其大比表面積和多孔結(jié)構(gòu)可以很好地結(jié)合酶。SHAO等［18］采用化學(xué)成分相同但物理結(jié)構(gòu)不同的SiO2基介孔分子篩KIT-6、SBA-15和MCM-41作為CA的固定化載體。與游離酶相比，CA/KIT-6、CA/SBA-15和CA/MCM-41的半衰期分別延長了3.0、2.8和2.0倍。SBA-15因其二維結(jié)構(gòu)和大孔徑而表現(xiàn)出更高的CA負載量，在40 ℃下6 d后仍保持96%的初始活性，使CA/SBA-15較CA/MCM-41和CA/KIT-6更適合于CO2捕獲。

當(dāng)使用固定化酶時，催化過程完成后分離生物催化劑是新的挑戰(zhàn)。將酶分子附著在磁顆粒上是解決方案之一。金屬氧化物納米顆粒具有大比表面積、高生物相容性以及與胺/羧基的配位能力，被廣泛用于CA的固定化研究。VINOBA等［19］利用戊二醛作為間隔劑，探索了將牛的CA固定在包膜磁性納米顆?；|(zhì)上的方法，在Fe3O4納米顆粒上涂覆SiO2和OAPS（八氨基苯基倍半硅氧烷）。固定化CA在30次循環(huán)后表現(xiàn)出良好的可重復(fù)使用性，30 d后仍保持82%的初始活性，表明其具有CO2封存應(yīng)用的潛力。

使用合成聚合物作為載體材料，其優(yōu)勢是可以選擇不同的聚合單體來滿足酶和固定化過程的需要。聚合物結(jié)構(gòu)中可以觀察到非常廣泛的化學(xué)官能團，如羰基、羧基、強疏水的烷基等。這些基團有助于聚合物表面的功能化以及與酶的高效結(jié)合。對于酶的固定化，通過共價交聯(lián)將CA附著在聚氨酯泡沫上，可提高CA的熱穩(wěn)定性，在低于50 ℃時可保持98%以上的活性［20］。

含有大量附著位點的多孔高吸水性水凝膠亦是理想的固定化載體。WEN等［21］將合成的CA雙金屬雜化納米花（CANF）包埋于聚乙烯醇（PVA）-殼聚糖（CS）水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，制備了PVA/CS@CANF水凝膠膜，其在熱穩(wěn)定性、pH穩(wěn)定性、可重復(fù)使用性、CO2捕獲能力等方面均優(yōu)于游離CA和CANF。JUN等［22］以酶沉淀涂層（EPC）的形式將CA固定在電紡聚合物納米纖維上，室溫下在水溶液中以200 r/min振蕩培養(yǎng)868 d后，固定化CA仍保持65.3%的初始活性。

金屬有機骨架（MOFs）是由金屬離子和有機配體排列組裝而成的獨特的大比表面積多孔晶體材料。MOFs在固定化后的酶活性保留方面具有潛在優(yōu)勢。LIANG等［23］提出了在MOFs中原位嵌入蛋白質(zhì)的想法。ASADI等［24］以微孔咪唑沸石骨架ZIF-8固定CA。對于Ni基MOFs，由于Ni-BTC的特殊結(jié)合能力，重組的人碳酸酐酶Ⅱ（hCA Ⅱ）可以很輕松地固定在Ni-BTC納米棒上，在最佳條件下，來自細胞裂解物的組氨酸標(biāo)記的hCA Ⅱ（His-hCAⅡ）可獲得99%的活性回收率；儲存10 d后，固定化His-hCA Ⅱ保留了40%的活性，而游離酶失去了91%的活性［25］。

2.2 固定化CA催化CO2捕獲技術(shù)

氣液填充床柱是研究較多的CO2捕獲技術(shù)，填料提供大的表面積，以確保氣液相之間的良好接觸。在酶促CO2捕獲情況下，填料可用作固定化支撐。BLAIS等［26］提出了一種將CA共價固定在填料表面的逆流填料塔生物反應(yīng)器。ILIUTA等［27］開發(fā)了一種逆流填充床柱反應(yīng)器，將hCA Ⅱ固定在第四代高性能散堆填料上，提高了傳質(zhì)性能。傳統(tǒng)的填充床柱將CA固定在填料表面，雖然提高了CO2的轉(zhuǎn)化率，但其傳質(zhì)系數(shù)不夠高，無法充分利用CA的高轉(zhuǎn)化率。RASOULI等［28］提出了一種新型混合酶工藝，在填料表面和液相懸浮磁性納米顆粒上固定hCA Ⅱ，可去除71%的CO2。

選擇性膜用于去除氣體混合物中的CO2。膜滲透器具有表面積大、不受重力限制等優(yōu)點。但與傳統(tǒng)化學(xué)吸收柱相比，效率較低、通過膜纖維的壓差大是其主要缺點。COWAN等［29］開發(fā)了一種以CA為啟動劑的含液膜（CLM）CO2捕集系統(tǒng)，通過在兩層聚丙烯（PP）膜之間引入含磷酸鹽的CA緩沖溶液，構(gòu)建了CLM體系，在CA的催化下將煙氣中的CO2轉(zhuǎn)化為碳酸氫鹽。在支撐液膜系統(tǒng)中，固定化液體可作為微孔膜的支撐物。FU等［30］構(gòu)建了一種具有酶活性的超薄仿生膜，在環(huán)境壓力和溫度條件下實現(xiàn)CO2的捕獲和分離。在含有超薄液層的納米孔中固定CA，使CA濃度比溶液中可達到的濃度高出10倍。

在所有的CO2捕獲技術(shù)中，膜接觸器是最吸引人的替代技術(shù)之一，它具有接觸面積大、操作靈活、液體和氣體可獨立控制、易于規(guī)?；湍K化等優(yōu)點。RASOULI等［31］提出了一種酶促CO2捕獲的新方法，在平板或中空纖維膜接觸器中的膜表面和膜孔內(nèi)固定CA。該生物催化膜接觸器突出了固定化CA的催化效率，且在數(shù)小時內(nèi)吸收率保持穩(wěn)定，證實了其在工業(yè)應(yīng)用中的潛力。

3 FDH催化CO2資源化

FDH在自然界中廣泛存在，如厭氧和需氧細菌以及一些酵母和植物中均存在FDH。FDH可自然催化HCOO-轉(zhuǎn)化為CO2（HCOO-? CO2+H+2e-）。酶促反應(yīng)使用各種天然輔助因子作為電子受體，特別是NAD+（輔酶Ⅰ）和NADP+。在溫和條件下FDH也很容易催化反向反應(yīng)，即從CO2到HCOO-，使用NADH（或NADPH）作為電子供體。這種反向F DH催化反應(yīng)的實際底物是溶解的CO2還是水合的HCO3-目前尚不清楚，但最近的電化學(xué)實驗已經(jīng)證實，CO2是反向FDH催化的底物。FDH分為兩種類型：1）活性位點含有鉬（Mo）或鎢（W）的金屬依賴酶；2）不依賴金屬驅(qū)動氧化還原催化作用的非金屬依賴酶?？傮w而言，金屬依賴型FDH相對于非金屬依賴型FDH更有利于催化CO2的反向還原反應(yīng)。

3.1 固定化FDH還原CO2合成甲酸

早在1984年，PARKINSON等［32］就將半導(dǎo)體光電極（p型磷化銦，p-InP）與生物催化劑FDH相結(jié)合，以實現(xiàn)CO2還原為甲酸。其后，研究人員針對此過程展開了多方面的研究，如通過固定化酶來提升酶的穩(wěn)定性和重復(fù)利用率、通過改變催化條件來提高甲酸收率等。LU等［33］將FDH封裝在新型海藻酸鹽-二氧化硅（ALG-SiO2）雜化凝膠中，固定化FDH催化的甲酸最高產(chǎn)率可達95.6%，僅略低于游離形式的酶促反應(yīng)（98.8%）；10次循環(huán)后，固定化FDH的相對活性仍可保持在69%的較高水平。REDA等［34］報道了吸附到電極表面的含鎢FDH高效催化CO2電化學(xué)還原為甲酸鹽，無論是作為均相催化劑還是在電極上，F(xiàn)DH催化CO2還原的速率均比用于相同反應(yīng)的其他已知催化劑快兩個數(shù)量級以上。

表2展示了不同載體固定化FDH還原CO2合成甲酸的性能。

表2 不同載體固定化FDH的性能比較

MOFs材料因自身高的孔隙率和好的化學(xué)穩(wěn)定性成為固定化酶的熱門載體之一。XING等［37］采用具有預(yù)裝Rh配合物的Zr基雙配體MOFs用于NADH原位再生和FDH固定化，光敏配體四（4-羧基苯基）卟吩（TCPP）的引入增加了催化活性位點；電子介體Rh配合物錨定在Zr基雙配體MOFs上，提高了電子轉(zhuǎn)移效率。與UiO-66-NH2相比，Rh-H2TCPP-Ui-O-66-NH2具有優(yōu)化的價帶結(jié)構(gòu)，顯著提高了光催化還原NAD+的活性，使CO2合成甲酸的產(chǎn)量從150 μg/mL（以催化劑計）升至254 μg/mL。

在選擇適宜FDH固定化載體的基礎(chǔ)上，合理利用電化學(xué)技術(shù)可促進固定化FDH催化CO2轉(zhuǎn)化為甲酸。ARENA等［39］構(gòu)建了一個生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）用于CO2還原制甲酸，采用具有大比表面積和多級孔徑分布的新型納米結(jié)構(gòu)TiN載體來固定FDH。構(gòu)建的BES系統(tǒng)表現(xiàn)出顯著的CO2還原性能和良好的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了高達76%的甲酸鹽法拉第效率，最大甲酸鹽產(chǎn)量為44.1 μmol/（h·mg）（以FDH計）。YAN等［41］將微孔UiO-66-NH2轉(zhuǎn)化為同時包含微孔和介孔的多級孔結(jié)構(gòu)材料（HP-UiO-66-NH2），通過優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)同時增強CO2的富集和FDH的固定化，提出了酶電催化CO2還原的機理，優(yōu)化后的催化體系可在3 h內(nèi)獲得1.826 mmol/L的甲酸鹽產(chǎn)量（是游離酶體系的5.57倍），生成速率為6 086.7 μmol/（h·g）（以催化劑計）。

為了提升FDH的性能與穩(wěn)定性，研究人員嘗試通過合理設(shè)計定點或隨機位點誘變不同來源的FDH。TüLEK等［42］通過分子模擬在碳酸氫鹽和甲酸鹽存在下研究了Asp188突變對NAD+依賴型FDH的亞基界面附近潛在變構(gòu)位點的影響，并將Asp188Arg突變型和野生型FDH固定在新合成的MWCNT（多壁碳納米管）-Ni-O-Si載體上。整合突變和固定化使碳酸鹽活性的催化效率提高了約25倍，兩種固定化酶的熱穩(wěn)定性分別比50 ℃下的游離對應(yīng)物提高了約11倍和18倍。在相同的條件下，突變酶及其固定化對應(yīng)物產(chǎn)生的甲酸產(chǎn)量較野生型及其固定化對應(yīng)物提高了約2倍。

3.2 以FDH為基礎(chǔ)的多酶體系轉(zhuǎn)化CO2

以FDH為基礎(chǔ)構(gòu)建的多酶體系轉(zhuǎn)化CO2越來越受到關(guān)注。ILIUTA等［43］提出了在固定床微反應(yīng)器（FBMR）中，利用共固定化耐氧FDH和葡萄糖脫氫酶，通過酶介導(dǎo)的CO2還原過程將大氣中的CO2轉(zhuǎn)化為甲酸鹽，同時原位再生NADH。由于該系統(tǒng)增強了相間傳質(zhì)和氣液界面面積，CO2轉(zhuǎn)化率明顯提高。因此，具有固定化FDH和葡萄糖脫氫酶的FBMR在CO2綠色轉(zhuǎn)化方面有著獨特優(yōu)勢。

FDH、甲醛脫氫酶（FADH）和甲醇脫氫酶（MDH）構(gòu)成的多酶體系轉(zhuǎn)化CO2的研究較多。1999年，OBERT等［44］通過由3種脫氫酶催化的級聯(lián)反應(yīng)將CO2還原為甲醇，利用NADH充當(dāng)每個脫氫酶催化還原的末端電子供體，獲得了91.2%的甲醇收率。自此，甲醇一直是CO2催化轉(zhuǎn)化的重點研究方向。XU等［45］將FDH、FADH和乙醇脫氫酶（ADH）封裝于ALG-SiO2雜化凝膠中，甲醇收率可達98.1%，儲存60 d后收率仍可達76.2%，在10次循環(huán)后還可達78.5%。姜忠義等［46］以正硅酸乙酯為前驅(qū)體，用改進的溶膠-凝膠法對3種酶進行了包埋共固定化，在低溫低壓下將CO2轉(zhuǎn)化為甲醇，甲醇收率可達92.4%。SUN等［47］通過簡單溫和的仿生礦化過程，將3種脫氫酶包裹在二氧化鈦顆粒中，建立了一個綠色高效的多酶系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效地將CO2轉(zhuǎn)化為甲醇，在更寬的pH和溫度范圍內(nèi)獲得了更高的反應(yīng)收率。EL-ZAHAB等［48］把FDH、FADH和ADH共固定在聚苯乙烯微粒上，將CO2轉(zhuǎn)化為甲醇，固定多酶體系11次循環(huán)使用后產(chǎn)生了48%的累計甲醇收率。

COCUZZA等［49］研究了OBERT等提出的級聯(lián)反應(yīng)的第一步，使用與甘油脫氫酶（GlyDH）共固定的FDH將CO2生成甲酸。通過GlyDH將甘油氧化為二羥基丙酮，以還原形式再生煙酰胺輔因子。在以斜發(fā)沸石作為載體時，F(xiàn)DH的保留活性大幅增加，從18%升至89%。FDH和GlyDH的固定化產(chǎn)率約為100%。研究表明，該方法可能在酶固定化和生物催化方面得到進一步發(fā)展。

4 CA與FDH的級聯(lián)反應(yīng)體系

從能量角度而言，甲酸是利用CO2的最經(jīng)濟的方法。以FDH為生物催化劑，NADH為輔因子，CO2可逆地轉(zhuǎn)化為甲酸。然而，該反應(yīng)在熱力學(xué)上是不利的，逆向反應(yīng)的速率常數(shù)遠高于正向反應(yīng)，并且在環(huán)境壓力下，CO2在水相中的溶解度較低。為了促進反應(yīng)，提高反應(yīng)溶液的CO2吸收是一種有效策略。CA能顯著加速CO2的水合，在CO2分離捕集方面具有重要的應(yīng)用前景。

JI等［50］通過將FDH、FADH、ADH和谷氨酸脫氫酶（GDH）4種酶和輔因子原位包埋在陽離子聚電解質(zhì)摻雜的中空納米纖維腔內(nèi)，并通過在中空納米纖維的外表面上組裝CA加速CO2水合，CO2還原酶系統(tǒng)實現(xiàn)了103.2%的最高甲醇收率，在10次循環(huán)后，仍保留了約80%的初始活性，基于輔因子的累積甲醇產(chǎn)率達940.5%。WANG等［51］研究了CA對催化FDH中甲酸鹽合成的影響，優(yōu)化各種參數(shù)后反應(yīng)速率提高了4.2倍。SATO等［52］利用FDH和CA構(gòu)建了雙酶系統(tǒng)，證明碳捕集、利用與封存（CCUS）系統(tǒng)中使用CA將CO2轉(zhuǎn)化為碳酸氫鹽和使用FDH將CO2還原為甲酸鹽是協(xié)調(diào)的。ZHANG等［53］通過微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶（MTG）的“交聯(lián)介質(zhì)”作用將CA和FDH連接在一起，以獲得不同比例的“一對一”和“一對多”的交聯(lián)酶聚集體，交聯(lián)后CA的保留酶活性超過93%，F(xiàn)DH的保留酶活性超過84%；與游離酶相比，交聯(lián)酶的總催化效率提高了5.8倍，并且FDH在不同溫度下的熱穩(wěn)定性得到改善。

在級聯(lián)反應(yīng)體系中引入固體吸附劑是加強CO2轉(zhuǎn)化的策略之一，其中具有高胺基密度的聚乙烯亞胺（PEI）作為聚合物改性劑起著至關(guān)重要的作用。將CA和FDH共固定在PEI上優(yōu)勢明顯，CA和PEI均可極大地促進CO2的捕獲和HCO3-的形成，從而加速FDH催化轉(zhuǎn)化CO2為甲酸鹽。同時，酶在固體吸附劑上的表面附著使其易于分離和回收，并具有較高的穩(wěn)定性。ZHAI等［54］把CA固定在PEI和聚多巴胺（PDA）改性的SiO2微球（PDA/PEI-SiO2-CA）上，并將其加入到含有NADH和FDH的反應(yīng)溶液中，促進CO2轉(zhuǎn)化為甲酸鹽，在PDA/PEI-SiO2-CA存在下，初始反應(yīng)速率是空白對照的48.6倍，甲酸鹽產(chǎn)量也高于空白對照。介孔二氧化硅（mSiO2）材料因其大比表面積、高濃度表面硅羥基以及出色的化學(xué)/熱穩(wěn)定性受到研究人員的關(guān)注。MAO等［55］制備了結(jié)構(gòu)可控的mSiO2納米顆粒并用PDA和PEI對其進行改性，用于CO2捕獲和轉(zhuǎn)化為甲酸的集成過程。mSiO2本身就是一種強CO2吸附劑，與游離酶相比，添加0.01 g mSiO2（410）（粒徑410 nm）可使CO2轉(zhuǎn)化加速11.94倍。用0.05g PDA/PEI-mSiO2（340）和PDA/PEI-mSiO2（410）改性后，酶催化反應(yīng)較無顆粒系統(tǒng)加速了24.0倍和30.8倍，以PDA/PEI-mSiO2（410）為載體進行FDH和CA的共固定化，在4 ℃下使用10次后仍可保持86.7%的活性，21 d后可保持55.2%的活性（游離酶僅保持29.6%的活性）。

沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8的咪唑基團能夠協(xié)同催化CO2的水合反應(yīng)。REN等［56］通過將CA、FDH、輔因子NADH和GDH同時封裝到ZIF-8中，構(gòu)建了納米級多酶反應(yīng)器。在多酶反應(yīng)器中，F(xiàn)DH的活性回收率達50%，CA和ZIF-8的組合顯著促進了CO2在反應(yīng)溶液中的溶解。納米級多酶反應(yīng)器表現(xiàn)出優(yōu)異的CO2轉(zhuǎn)化為甲酸鹽的能力，與游離多酶體系相比甲酸鹽的產(chǎn)率提高了4.6倍，在8次循環(huán)后仍保持了50%的初始活性，具有良好的可重復(fù)使用性。WANG等［57］以ZIF-8為模板，制備了具有分級結(jié)構(gòu)和孔隙率的超薄PDA微膠囊，將CA、FDH和GDH封裝在PDA微膠囊中。微膠囊中FDH保留了94.7%的等效游離FDH的活性。與游離多酶相比，包埋在PDA微膠囊中的固定化多酶表現(xiàn)出4.5倍的甲酸鹽產(chǎn)量。CHAI等［58］合成了包埋兩種酶（CA和FDH）的ZIF-8薄膜，該ZIF-8生物催化膜在沸水中處理1 h后仍表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性；在氣液膜接觸器中催化4 h后甲酸產(chǎn)率為22%；催化活性較無ZIF-8時增加了1.6倍。

5 結(jié)語與展望

生物酶技術(shù)固定和轉(zhuǎn)化CO2既可緩解溫室效應(yīng)帶來的環(huán)境問題，又能以溫室氣體為碳源合成高附加值產(chǎn)品，變廢為寶，有望發(fā)展成一種可循環(huán)的CO2管理體系。然而，現(xiàn)階段生物酶技術(shù)固定并轉(zhuǎn)化CO2仍存在一些問題：一方面，現(xiàn)有的生物固碳途徑反應(yīng)過程大都較長，固碳酶尚存在缺陷；另一方面，在酶法催化CO2捕集轉(zhuǎn)化過程中，關(guān)鍵酶的核心驅(qū)動力不足，限制了反應(yīng)速率，而其較差的穩(wěn)定性是應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的又一障礙。為了CO2捕集和利用的進一步發(fā)展，未來的生物酶技術(shù)可從以下方面進行研究：

a）研發(fā)更高效的核心固碳酶，強化CO2羧化途徑，優(yōu)化能量供給，構(gòu)建全新的人工固碳途徑；

b）探索開發(fā)廉價高效的固定支撐材料，研發(fā)創(chuàng)新和有效的固定化技術(shù)，以保持酶的活性和穩(wěn)定性；

c）剖析酶級聯(lián)反應(yīng)體系的熱力學(xué)和動力學(xué)限制因素，從級聯(lián)反應(yīng)的原理著手，提高反應(yīng)效率。