哈佛团队发现新型蓝细菌，称捕碳速度惊人

以二氧化碳为主的碳排放是引起气候变化的重要变量。控制碳排放，除了节能减排，碳捕获更是重要对策。到2022 年为止，已有超过 30 亿美元投资于碳捕获。

碳捕获是指从废气、转化气或固定源中捕获二氧化碳的过程。如果要使碳捕获变得更可扩展，该过程最好不依赖大量电力或热能使用。目前，碳捕获的一部分任务落在了小小的细菌身上。

许多细菌（包括改良细菌）可以利用二氧化碳作为它们唯一的碳源，并将其转化为增值产品，如生物酒精、脂肪酸、生物油等。

高等植物和微藻同样拥有固定二氧化碳的能力，与这些物种相比，细菌有许多独特优势，包括生长速度更快、生长密度更高以及更容易进行基因工程等。

威尔康奈尔医学院和哈佛医学院的教授 Braden Tierney 曾表示：“微生物的好处在于它们是自我组装的机器，很多化学方法(捕捉二氧化碳)都没有这种效果。”

关于“通过细菌捕获和转化二氧化碳”的研究，应该集中在高效细菌的选择、基因工程改造以及设计和构建合成代谢途径上。

火山发现新型蓝细菌，碳捕获速度惊人

据英国《卫报》报道，去年 9 月，参与 2 Frontiers Project 的科学家们从意大利 Vulcano 岛休眠火山下方渗出的水中，收集了许多二氧化碳含量从低到高的海水样本，并在现场实验室进行了配对 DNA 测序和培养实验。

据这些科学家称，在这些样本中发现了一种新型蓝细菌，它比任何其他已知细菌都更快地将二氧化碳转化为生物质。另外，它还有一个不寻常的特性，能够沉入水中，这有助于封存其吸收的二氧化碳。很可能会被用于大型碳捕获池，或许也能够制造生物塑料。

（来源：Fabrizio Villa/Getty Images）

研究人员表示，他们将用该微生物的所有数据，建立一个供科学界使用的活数据库，该数据库将 DNA 序列与细菌库样本配对。

“我们在哈佛的主要合作者分离出了这种生物体，与其他蓝细菌相比，它的生长速度惊人。该项目利用了 36 亿年的微生物进化的优势。”作为该项目顾问的 Braden Tierney 曾对媒体这样介绍。

除此之外，第二个研究项目正在落基山脉的一个温泉进行，那里的二氧化碳浓度更高。这些样本现在正在接受分析。

在近些年的一些研究中，来自印度红树林沉积物的细菌分离物（Bacillus altitudinis）显示出碳封存的能力；一种自养革兰氏阴性细菌 (Ralstonia eutropha) 在改造后可以二氧化碳为唯一碳源生成异丁醇和 3-甲基-1-丁醇。

工程细菌对二氧化碳的捕获和利用

近年来，很多研究工作利用合成生物学、蛋白质工程和代谢工程来创造潜在的二氧化碳固定途径。

目前为止，共提出了六种二氧化碳固定途径：途径一，the Calvin–Benson–Bassham （CBB 循环）；途径二，the 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle（3HP-4-HB 循环）；途径三，the dicarboxylate/4-hydroxybutyrate（DC/4-HB 循环）；途径四， the 3-Hydroxyproppionate bicycle（3-HP/malyl-CoA 循环）；途径五，the reductive tricarboxylic acid（rTCA 循环）；途径六，the Wood–Ljungdahl（WL循环）。其中，好氧途径包括 CBB、3HP-4HB 和 3-HP/malyl-CoA，而厌氧途径是 rTCA、WL 和 DC/4-HB。

合成生物学集中在重新设计和重新定位二氧化碳固定的固有途径，修改二氧化碳固定途径以增加二氧化碳的输送，以及开发和优化二氧化碳固定酶的效率和耐久性，以实现有效的二氧化碳固定。例如，Antonovsky 等人曾于 2016 年成功地将“从二氧化碳中合成生物质”的能力引入大肠杆菌这一异养生物。

实际上，基于合成生物学的碳捕获技术已有不少走向工业规模的成功案例。

今年 2 月，成立于 2005 年的LanzaTech以 SPAC 方式正式登陆纳斯达克，成为第一家上市的碳捕获和转化（CCT）公司。

LanzaTech的核心技术依托于一种名为产乙醇梭菌（Clostridium autoethanogenum）的自养微生物。该类细菌拥有最古老的碳固定代谢途径Wood-Ljungdahl，可以同时发酵 CO 和CO2，在适当的条件下可有效地将其转化为乙醇。反过来，可以使用乙醇制成涤纶织物、航空燃料和酒精。值得一提的是，其生产的聚酯纤维可以用来制造各种尼龙织物，当这些尼龙织物废弃时，可以再次重复循环利用，进行发酵和转化，从而有效降低碳足迹。

LanzaTech利用合成生物学工具箱改造产乙醇梭菌，提高其转化效率；同时扩大其生成产物的范围，如生成丙酮、乳酸等简单底物。在该气体发酵过程中，二氧化碳、一氧化碳和氢气作为碳源和还原能源。

除了LanzaTech，CyanoCapture是一家获得了壳牌公司和马斯克支持的碳捕获公司。

CyanoCapture成立于 2021 年，总部位于英国。该公司不需要昂贵的催化剂或吸附剂，利用工程聚球藻将二氧化碳转化为生物质和生物油。聚球藻（Synechococcus，一种蓝藻）是光合细菌，拥有地球上最节能的碳捕获机制。

CyanoCapture改造聚球藻使其更加高产且可控，并让它们在一个大型容器中密集生长，当把生产废气通过容器时，其中的二氧化碳可以迅速被聚球藻吸收并转化为生物质和生物油。

CyanoCapture的首席执行官兼创始人 David Kim 表示，公司已经找到一种方法，使该系统的工作能耗仅为其他碳捕获方法的一小部分。

▲图丨CyanoCapture 的支持者和合作伙伴（来源：CyanoCapture 官网）

与无机系统结合的细菌碳捕获系统

目前，各种方法，如利用微生物进行生物二氧化碳转化、通过有机或无机催化剂进行化学催化二氧化碳转化、光诱导或电催化二氧化碳转化以及二氧化碳的催化氢化，都显示了将二氧化碳转化为生物基产品的能力。

然而，从大规模的角度来看，这些新方法都不能完全解决二氧化碳的捕获和转化问题。

2016 年，Sakimoto 等人设计了用于捕获和转化二氧化碳的无机-生物混合系统，在可见光辐射下，利用二氧化碳生成了乙酸。此后，更多类似系统被开发出来。在这些系统中，可以通过无机系统调整细菌的代谢灵活性。

举例来说，国内合成生物电化学碳中和技术服务公司——中科翎碳正是基于这一技术路线。

中科翎碳成立于 2021 年 9 月，公司将‘电催化’和‘生物合成’两个系统集成起来，利用光伏发电、风电、水电、核能等清洁电源将二氧化碳还原成生物转化可以利用的中间体（如甲醇、乙酸），基于不同的菌株，其终端产品有生物基的可降解塑料、氨基酸衍生物，以及蛋白类的产品。

未来，将细菌二氧化碳固定与其他工业操作（例如废气和废水处理、精炼沼气以及直接从二氧化碳制造商品）相结合可能会更有效率。这可能有助于解决全球变暖的主要生态问题，同时还可以减少微生物二氧化碳大规模捕获和转化以及技术进步中通常的成本和性能限制。

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