可再生能源驱动二氧化碳生物转化利用：技术融合与碳中和应用

原文发表于《科技导报》2025 年第23 期 《 可再生能源驱动CO2生物转化利用：技术融合与碳中和应用 》

可再生能源驱动CO2生物转化利用是一种将清洁能源与生物技术相结合的新型碳中和技术，显示出巨大潜力。本文综述了清洁能源驱动CO2的生物转化路径；梳理了关键技术进展和重要案例；提出了构建“可再生能源—碳转化—高值产品”可持续产业链，可实现CO2高值化学品的转化，协同推进降碳减污扩绿增长，推动碳中和的发展。最终，提出建议未来研究应着力于高效生物−非生物界面的设计、动态代谢调控策略、低能耗且高经济性集成技术工艺创新等。

在全球碳中和目标日益加速推进的背景下，世界各主要工业国家都率先提出并实施了一系列低碳经济和减排政策。近年来，为应对全球气候变化，实现碳达峰与碳中和国家战略目标，实现CO2的高效利用与转化已成为绿色革命的关键研究前沿和技术发展方向。

近年来，各国科学家们都致力于突破生物体利用瓶颈，达到高效能量转换效率，力求实现固碳形式多元化，使固碳途径更高效。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、绿电（光伏、风能等）、生物质能等多种固碳形式是理想驱动CO2生物转化的方式。可再生能源驱动CO2生物转化利用的核心概念是利用光能、绿电（光伏、风能等）、地热能/生物质能等驱动微生物/酶催化CO2转化为有机物等其他碳储存形式（图1），构建CO2人工生物转化技术。

图1 可再生能源驱动CO2生物转化利用

天然生物固碳转化途径中固碳酶结构复杂、活性低，且需依赖多次反应导致传统生物固碳转化途径能量利用效率低、转化速度慢，通常难以满足工业应用需求。此外，光能、绿电（光伏、风能等）、生物质能等可再生能源会因天气、时间和季节变化等因素出现间歇性。这些间歇性导致能量供应不稳定，但生物转化过程可以通过利用间歇性能源将有机物转化为燃料、材料或高值化学品以提供能量储存和稳定的能源供应，以达到抵消可再生能源的间歇性。

我们的研究主要围绕可再生能源与CO2生物转化的耦合协同问题，从能源类型与转化路径、关键技术路径阐述可再生能源驱动CO2还原合成化学品的关键技术，并展望为实现碳中和应用进一步发展的方向。

1 可再生能源与生物转化的耦合作用

可再生能源和生物转化的耦合作用是指可再生能源与生物过程的协同整合，利用CO2为原料生产经济社会发展所需要的生物燃料、生物基材料、生物基化学品等产品，为碳中和提供了可持续、高效的解决方案。

1.1 能源类型与转化路径

1.1.1 光能驱动

利用可再生光能驱动CO2生物转化是实现低碳生物合成的途径之一。植物、藻类等光合生物能够直接或间接利用光能将CO2转化成有机物和化学品如蛋白质、脂质和糖类等有价值的化学物质。然而，光能直接驱动CO2的生物合成模式存在固有缺陷，为此，研究人员开发了间接光驱动模式，即将光能转化为其他能量形式（如电能、热能或化学能），再驱动CO2还原为其他化学品。间接光驱动CO2能够实现更高的能量利用效率和产物选择性。归根结底，天然光合作用系统的能量转化效率低下，主要因为其吸收光谱窄和光能转换过程中能量损耗巨大。因此，探索更高效的光能转换和利用机制，耦合协同生物转化以突破天然光合固碳效率低的固有缺陷，实现直接从CO2到化学品的生物转化途径具有极大应用潜力。

1.1.2 绿电（光伏、风能等）驱动

清洁能源电能是一种可广泛来自光伏、风能的可再生能源。近年来，随着绿色发电技术的发展，电能驱动CO2生物转化引起了广泛关注。电能有2种形式作用于生物转化，分别是直接式和间接式。

• 直接式是在电极上直接通过与电活性微生物或酶接触进行生物合成。

• 间接式是利用电能间接式辅助CO2转化（在电极上产生电子受体分子或生物转化的中间原料）。

1.1.3 地热/生物质能驱动

此外，利用地核热能的地热能和来源于有机材料的生物质能与生物转化过程相结合也是优化能源效率，减少碳排放，提高资源利用率的理想途径之一。地热能提供了一种稳定的、可再生的热源，可用于支持生物转化中的生物过程。生物质是一种丰富、可持续、低成本的天然碳源，资源年产量达到1700亿t，包括农业残留物、食物垃圾或林业副产品等有机物质。当与地热能相结合时，地热资源的热量可以促进微生物分解生物质，这种耦合提高了总体产量，减少了对外部能源投入的需求，减少了能源系统的总体碳足迹，从而有助于建立一个更可持续和低碳的能源系统。

综上所述，可再生能源，包括光能、绿电（光伏、风能等）和地热/生物质能整体提高了CO2转化和能源效率，提高了可再生能源系统的可靠性和灵活性，且增加了高值化学品的转化。这些系统的整合在能源效率、环境影响资源利用、循环经济方面具有显著优势，最终有助于向更可持续和低碳能源的未来过渡。

1.2 能量传递与代谢调控

可再生能源驱动CO2生物转化利用是通过利用可再生资源耦合微生物/酶系统实现能量−物质的高效转化，其关键科学问题是跨尺度能量传递与动态代谢调控的协同机制。

• 在能量调控方面，光生电子通过半导体−生物界面[如镍铜（NiCu）合金、硫化镉（CdS）纳米颗粒、碲化镉量子点（CdTe QDs）]产生三磷酸腺苷（ATP）/还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）/H2驱动CO2还原进入细胞代谢网络，该过程受生物−非生物界面上的电子转移和利用效率的严格调控。

• 代谢调控层面，利用合成生物学工具[如光遗传开关、CRISPR（CRISPRi）干扰]动态平衡碳流分配。

2 关键技术路径与案例

可再生资源驱动CO2生物转化利用是通过生物或生物杂交系统将CO2转化为高附加值产物的关键技术，核心在于能量输入（光能、绿电等）与生物催化（酶或微生物）的高效协同。近年来，可再生资源驱动CO2生物利用相关研究不断取得进展，已实现了包括甲醇（CH3OH）、乙酸（CH3COOH）、异丙醇（H3H8O）和糖类等化合品的合成。

2.1 光能−生物系统

目前，利用光能驱动CO2生物转化利用的技术主要有自然−人工杂合系统、光电微生物耦合等技术。构建人工光合系统提高固碳率，为高效转化CO2提供新路径。

人工光合作用系统原理是将半导体材料与微生物细胞相结合，借助半导体材料用来辅助细胞对光能的利用，通过无机或有机纳米粒子将光能转化为电子，模仿光合作用实现对太阳能的转化和利用。

此外，由于大部分生物不能直接利用光能，且微藻的光能转换效率仍然较低（3%~9%），优化光能的吸收成为实现高效利用光能的关键。通过代谢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的还原需要大量的还原力，优化辅因子再生是驱动CO2生物转化的关键环节。调控细胞对辅因子的偏好性以增加胞内还原力的再生，能够有效促进CO2的还原与转化。另外，能够利用太阳能电池将光能转化为电子驱动电微生物转化CO2。

2.2 绿电−生物系统

根据生物催化剂的不同，电能驱动CO2生物转化利用可以分为微生物电合成和酶−电催化。

微生物电合成是利用电活性微生物从电极处获得电子，将CO2还原为有价值的有机酸或醇类。微生物是廉价且能够自我再生的催化剂，在温和温度下能够实现超过80%的电能转化为产物的转化率。此外，除了菌种，对电极表面修饰、加入电子中介体、降低细胞通透性也是提高转化效率的途径。

酶−电催化是将氧化还原酶固定在电极表面，利用电子催化CO2还原为甲酸、甲醇、一氧化碳（CO）、乙烯（C2H4）、乙醇、丙醇（C3H8O）等化学品。 FDH和羧化酶/脱羧酶的专利申请数量逐年增加，说明它们在辅酶再生和CO2固定方面的开发具有较大应用价值。

绿电是可再生能源的高价值载体，绿电驱动CO2生物转化为碳中和目标下的能源转型与碳循环提供了核心动力。

2.3 多能互补系统

为了提高可再生能源的利用率，将多种能源形式（如光能、风电、生物质能、储能等）集成在一个协同优化系统中即多能互补系统，是通过能源梯级利用、动态匹配与智能调控从而实现CO2的高效转化的途径。该系统能够有效解决单一可再生资源如光能的昼夜波动、风能的季节差异，并通过代谢网络调控优化碳流流向目标产物。多能互补系统能够突破单一可再生能源的限制，实现连续生产，提高了整体转化效率，为建立碳循环经济提供了技术支撑。

3 CO2生物转化利用的科技挑战与瓶颈问题

利用可再生能源驱动CO2的生物转化，为可持续的碳捕获、利用和转化开辟了一条重要的途径。然而，生产成本高是可再生能源驱动CO2的生物转化的主要瓶颈，面临能效、速率、产量挑战，需解决能量利用、固碳还原、定向合成系统调控等科学问题，大幅降低生产成本（图2）。

图2 CO2生物转化利用主要科技挑战与问题

3.1 能量高效传递与转化

克服CO2的化学惰性，需要大量能量的输入。能量高效传递和转化是CO2生物转化中能否“进得多”的关键。解析生物体能量传递机制，建立电子通道理论，为开发普适性的能量传递元件奠定理论基础。创建新的电子传递通道，扩大生物电子传递的通量，提高能量传递效率。开发电子载体、蛋白导线、量子点连接子等人工电子传递原件，整合纳米催化材料，实现生物体可以直接利用高密度能量形式。突破自然生物能量转换形式，实现光能、电能、生物质能等多种能量形式向生物能的高效转换。

3.2 CO2高效固定还原

如何实现CO2的C—O键高效活化并还原为C—H键或C—C键，是CO2生物转化能否“固得快”的关键，也是实现由无机碳向有机碳转化的核心步骤。需要解析催化剂表界面结构与CO2活化、C=O键断裂、C—H键构筑的对应关系，设计构建常温下有效降低CO2反应活化能的新型催化剂，提高C—O键活化还原成C—H键或C—C键的效率，阐明光能、电能、生物质能等不同可再生能源驱动CO2还原的反应动力学与多相流体传质传热的匹配规律，解析可再生能源驱动关键酶催化机制和能量转换形式，获得CO2固定与能量耦合利用的最佳协同模式。

3.3 碳素定向生物转化

将固定住的CO2快速、定向转化到有价值的复杂分子是CO2生物转化能否“用得好”的关键。为提高物质合成效率，创建面向工业应用和可工程化放大的新反应和新途径，设计从CO2经还原反应生成中心代谢中间体，再到目标产品的定向合成路线；重构物质代谢调控网络，增强到目标产品的代谢通量；整合能量传递、碳固定和物质合成模块，实现CO2到目标产品的高效合成。

4 可持续性发展与产业化前景

光能、绿电（光伏、风能等）等可再生资源驱动的CO2生物转化为高值化学品、燃料、材料和食品等在环境效益和经济效益上具有显著潜力。当以可再生能源为动力时，CO2的生物转化直接有助于减少温室气体排放。此外，与化石燃料相比，通过将可持续性的可再生能源融入生物CO2转化系统中，这些过程中所使用的能源本身就是可持续的，从而减少了对不可再生能源（例如传统石油和天然气）的依赖。将可再生能源用于生物CO2转化有助于建立一个更可持续和平衡的生态系统，减少对污染性且消耗性化石燃料资源的需求，最终有助于减轻环境退化。

利用可再生资源驱动CO2转化利用不仅有显著的环境效益，还有巨大的经济效益。CO2被捕获从而转化为有价值的化学品、材料前体或食品添加剂，具有极大市场潜力并且有助于推动形成一个循环型的碳经济体系。利用可再生资源转化CO2，可以减少对化石燃料进口的依赖，增强国家的能源独立性，促进稳定的能源市场。此外，CO2的生物转化能够催生新的市场领域，为生物制造和生物创新产生新的机遇，包括可再生生物燃料、碳基化学品以及可持续食品生产。

未来研究发展应重点关注：

（1）高效生物−非生物界面的设计、开发光捕获材料、高效电活性生物膜的设计、关键酶的高活性改造以提高能源转化效率；

（2）构建动态代谢调控的智能平台以实现多能互补系统的实时优化；

（3）发展能耗低、经济性高的集成技术工艺，减少单一过程对下游生产过程效率，提升工业生产鲁棒性；

（4）跨学科融合“材料−能源−生物”，实现交叉创新。

利用可再生能源驱动CO2生物转化，形成“可再生能源—碳转化—高值产品”的可持续产业链，加紧经济社会发展全面绿色转型，协同推进降碳减污扩绿增长，推动碳中和的发展。

本文作者：张艺格、胡元森、王钦宏

作者简介：张艺格，河南工业大学生物工程学院、中国科学院天津工业生物技术研究所，低碳合成工程生物学全国重点实验室，博士研究生，研究方向为低碳生物合成；胡元森 (通信作者)，河南工业大学生物工程学院，教授，研究方向为微生物学；王钦宏 (共同通信作者)，中国科学院天津工业生物技术研究所，低碳合成工程生物学全国重点实验室，研究员，研究方向为工业生物进化与代谢工程。

文章来 源 ： 张艺格, 胡元森, 王钦宏. 可再生能源驱动CO2生物转化利用：技术融合与碳中和应用[J]. 科技导报, 2025, 43(23): 61−69 .

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