网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

大自然的“绿色化学”——真菌如何在常温常压下“捕获”二氧化碳?

0
分享至

来源:中国科学报

记者:朱汉斌



在工业领域,二氧化碳与环氧化物偶联生成五元环碳酸酯,被视为二氧化碳资源化利用最具技术可行性和经济前景的路线之一。然而,现有催化过程依赖有机溶剂、过渡金属催化体系以及高温高压条件——这些都是高能耗、高成本的代名词。

一项新研究发现,无需这些工业界费尽心力仍难以摆脱的“标配”,一种深海真菌在水溶液中就悄然完成了这一过程。

中国科学院南海海洋研究所研究员闫岩团队与海南师范大学副教授黎婉珊团队完整解析了深海真菌天然产物cytosporin的生物合成路径,并首次发现其中五元环碳酸酯结构可在中性水溶液中通过环氧介导的二氧化碳偶联反应自发形成。近日,相关研究成果在线发表于《美国化学会志》。

“这项研究的意义远不止于解开一个真菌天然产物的生物合成之谜。”论文共同通讯作者闫岩告诉《中国科学报》,该发现颠覆了人们对二氧化碳与环氧化物偶联必须依赖苛刻条件的传统认知,揭示了自然界在温和水溶液中实现二氧化碳固定的精妙化学策略。

一个“热门”的难题

二氧化碳,这个被全球气候变暖议题推上风口浪尖的“罪魁祸首”,在化学家眼中却是一座尚未被充分开发的“碳矿”。如果能将它高效转化为有价值的化学品,不仅能缓解碳排放压力,还能变废为宝。将二氧化碳高效转化为有机碳酸酯,是绿色化学和可持续能源领域的热门方向。

论文第一作者、中国科学院南海海洋研究所助理研究员肖华告诉《中国科学报》,在众多转化路径中,有一条格外诱人——将二氧化碳与环氧化物偶联生成五元环碳酸酯。他解释说,环状碳酸酯是一类重要的化工原料,在锂离子电池电解液、聚碳酸酯塑料、医药中间体等领域应用广泛。更令人心动的是,这条反应路径具有百分百的原子经济性——原料中的所有原子都进入了最终产物,不产生任何副产物,堪称“零浪费”的理想反应。

然而,要让化学性质极其“高冷”的二氧化碳和环氧化物“心甘情愿”地走到一起,需要满足苛刻的条件——高温、高压、有机溶剂、过渡金属催化剂。几十年来,全球无数研究团队致力于开发高效、绿色的催化剂,但始终因对严苛条件的依赖,陷入高能耗、高成本和潜在重金属污染的困境。这如同三道“紧箍咒”,阻碍了该技术的规模化应用。

那么,有没有一种更“聪明”的办法?大自然或许早已给出了答案。

肖华表示,近年来,科学家从微生物和植物中陆续分离出多种天然环碳酸酯化合物,但它们的生物合成机制,尤其是五元环碳酸酯如何在生物体内形成,是一个未解之谜。

揭示真菌的“秘密工厂”

研究团队将目光投向了一类名为cytosporin的真菌天然产物。它由一株深海真菌产生,其分子结构中含有一个罕见的五元环碳酸酯。

这种真菌是如何在常温、常压、水溶液的环境中制造出这个五元环碳酸酯的?为回答这一问题,研究团队对产生菌进行了基因组测序,从中锁定了一个约46.8kb的候选基因簇cyt,它包含15个基因。这就像获得了一个“秘密工厂”的完整设计图纸,接下来的任务就是搞清楚每个“车间”具体做什么。

论文共同通讯作者黎婉珊介绍,好比把不同“车间”的设备搬到另一个工厂单独测试,研究团队通过一系列精巧的异源表达和饲喂实验,逐一鉴定了cyt基因簇中每个后修饰酶的功能。经过十多个酶的接力催化,一个复杂的前体分子最终被组装完成。

然而,“悬案”出现了。整个cyt基因簇中,没有任何一个酶能够催化碳酸酯环的形成。“‘图纸’翻遍了,所有‘车间’都排查完了,却找不到生产最终产品‘五元环碳酸酯’的那道工序。”黎婉珊说。

答案指向了唯一可能性——这道“工序”不是由酶催化的,而是自发完成的。

大自然的中性“绿色化学”

通过比较前体分子与最终产物的结构差异,研究团队推测,碳酸酯环很可能源自无机碳酸氢盐,也就是二氧化碳在水溶液中的主要存在形式。

研究人员将前体分子在pH值6.0至8.0的水溶液中与碳酸氢钠一起孵育,发现当pH值达到7.0及以上时,前体分子显著转化为含有五元环碳酸酯的产物。

这一验证实验的结果令人振奋。“这意味着在常温、常压、纯水、无需任何催化剂的近中性条件下,以碳酸氢根形式存在的二氧化碳就能与前体分子‘自发’偶联,生成化学家长期追求的五元环碳酸酯。”肖华说。

为证实碳酸酯环中氧原子的来源,团队使用了18O标记的碳酸氢盐进行示踪实验,相当于给碳酸氢盐中的氧原子贴上“发光标签”,追踪其最终去向。结果显示,产物中有两个氧原子被成功标记,核磁共振波谱确认这两个氧原子分别位于碳酸酯环的两个关键位置——它们全部来源于碳酸氢盐。这一结果确凿证实了二氧化碳确实被“捕获”并固定到产物分子中。

团队进一步提出了详细的反应机理:在近中性条件下,碳酸氢根离子首先进攻前体分子上的环氧结构,打开三元环,随后分子内部邻近的羟基对中间体羰基发起进攻,脱水后形成五元环碳酸酯。动力学研究表明,反应速率对底物和碳酸氢根浓度均呈一级动力学依赖关系,室温下反应速率常数为0.15升每摩尔每小时。

更令人惊讶的是,这一反应并非cytosporin的“独家秘籍”。团队测试了多种结构类似物,发现只要具备特定的双环或三环骨架结构,都能在中性水溶液中与碳酸氢盐反应生成相应的五元环碳酸酯。这表明这一非酶促二氧化碳偶联机制在天然产物生物合成中可能具有相当广泛的普适性。

“这一发现不仅拓展了我们对天然产物生物合成中二氧化碳固定化学的认知,还为开发环境友好的有机碳酸酯绿色合成路线提供了极具价值的启示。”闫岩说,或许在不久的将来,化学家能从这种深海真菌的“智慧”中汲取灵感,设计出更温和、更绿色的二氧化碳转化工艺。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
亚运金牌榜之珠穆朗玛脚下的芸芸众生 孟加拉1铜朝鲜历史倒数第三

亚运金牌榜之珠穆朗玛脚下的芸芸众生 孟加拉1铜朝鲜历史倒数第三

劲爆体坛
2026-10-03 17:51:05
日本女护士嫁给中国将军64年,生下歌唱家女儿,女婿如今家喻户晓

日本女护士嫁给中国将军64年,生下歌唱家女儿,女婿如今家喻户晓

芊芊子吟
2026-10-03 08:40:25
“我开了17年飞机,当了11年机长,飞机急速下坠,如果我站不起来,所有乘客都会没命”,迪拜航空机长讲述驾驶舱惊魂一刻

“我开了17年飞机,当了11年机长,飞机急速下坠,如果我站不起来,所有乘客都会没命”,迪拜航空机长讲述驾驶舱惊魂一刻

蓬勃新闻
2026-10-02 21:42:43
76年,8341部队深夜突然包围邓小平住处,邓小平交代卓琳:别跟来

76年,8341部队深夜突然包围邓小平住处,邓小平交代卓琳:别跟来

搜史君
2026-09-14 09:30:39
今天16时起,临时严管,车辆禁止驶入!深圳交警最新提醒

今天16时起,临时严管,车辆禁止驶入!深圳交警最新提醒

南方都市报
2026-10-03 16:07:44
约150名中国教师突被分批撤离菲律宾

约150名中国教师突被分批撤离菲律宾

张可象
2026-10-03 17:22:54
张本智和抵达北京参赛!有说有笑不受私生活争议影响 要在中国夺冠

张本智和抵达北京参赛!有说有笑不受私生活争议影响 要在中国夺冠

念洲
2026-10-03 07:00:44
双喜!历史性一刻!第166金产生 10月3日奖牌榜更新 中国男足争气

双喜!历史性一刻!第166金产生 10月3日奖牌榜更新 中国男足争气

大秦壁虎白话体育
2026-10-03 17:18:32
禹作敏曾在大邱庄定下规矩:正部级官员不带项目就不见,厅局级以下则看他心情;直到400名警察开到了村口

禹作敏曾在大邱庄定下规矩:正部级官员不带项目就不见,厅局级以下则看他心情;直到400名警察开到了村口

人生录
2026-09-28 17:22:51
美国为何没有贪官?不是没有,是因为美国从制度上消灭了贪官,就连贪污都是合法的

美国为何没有贪官?不是没有,是因为美国从制度上消灭了贪官,就连贪污都是合法的

扶苏聊历史
2026-09-12 17:43:57
5-3被逆转,空砍8记ACE!郑钦文首盘抢7惜败,冲击中网32强告急!

5-3被逆转,空砍8记ACE!郑钦文首盘抢7惜败,冲击中网32强告急!

刘姚尧的文字城堡
2026-10-03 17:29:03
徒手捏死十几只隐翅虫,第四天手指溃烂:它不咬人,但毒液是“飞行硫酸”

徒手捏死十几只隐翅虫,第四天手指溃烂:它不咬人,但毒液是“飞行硫酸”

青科新闻
2026-10-02 21:51:44
世人看错了刘欢遗产!豪宅只是零头,无形财富才是真正的传世家底

世人看错了刘欢遗产!豪宅只是零头,无形财富才是真正的传世家底

阿笎评论哥
2026-10-02 12:20:47
美国“全球停飞令”为什么被多国无视?

美国“全球停飞令”为什么被多国无视?

小眼睛小世界
2026-10-03 07:31:38
教师大势已定?不出意外,明年“教师行业”将迎来3大变化

教师大势已定?不出意外,明年“教师行业”将迎来3大变化

解说阿洎
2026-10-03 06:17:01
“这就是不玩手机的下场”,家长拍下初中女孩幼稚行为,还沾沾自喜

“这就是不玩手机的下场”,家长拍下初中女孩幼稚行为,还沾沾自喜

番外行
2026-10-03 20:08:38
2030世界杯利益绑架!葡足协拼命斡旋,只为给C罗强行安排告别

2030世界杯利益绑架!葡足协拼命斡旋,只为给C罗强行安排告别

圣西罗的太阳
2026-10-03 15:12:38
为什么无底线善意反而会招来杀身之祸

为什么无底线善意反而会招来杀身之祸

风铃草语
2026-10-03 07:14:12
广西最聪明的“钉子户”!开发商开250万巨款加一套新房,两兄弟直接拒绝,死守小区门口两栋老房做生意,引发巨大争议

广西最聪明的“钉子户”!开发商开250万巨款加一套新房,两兄弟直接拒绝,死守小区门口两栋老房做生意,引发巨大争议

火山詩话
2026-10-03 08:34:48
无缘历史首次黑七!女武神2-1灭飞翼季后赛四强出炉 李月汝赛季结束

无缘历史首次黑七!女武神2-1灭飞翼季后赛四强出炉 李月汝赛季结束

醉卧浮生
2026-10-03 11:22:37
2026-10-03 21:47:00
科技导报 incentive-icons
科技导报
中国科协学术会刊
5562文章数 8384关注度
往期回顾 全部

科技要闻

英伟达盘中创历史新高,市值逼近6万亿美元

头条要闻

媒体:韩国酵母的风 还是吹到了日本

头条要闻

媒体:韩国酵母的风 还是吹到了日本

体育要闻

这个讨论了一夏天的问题,马刺有答案了吗

娱乐要闻

马思纯一家爬山祈福!素颜出镜笑容甜

财经要闻

4亿台电视挂墙落灰 为何没人愿意开了?

汽车要闻

方程豹9月热销破4万 首款皮卡鲨鱼将于四季度上市

态度原创

教育
健康
家居
手机
数码

教育要闻

我发现一个残酷真相:孩子长大后,最怨恨的不是管太严的父母,而是……

刷酸祛痘,为什么有人翻车?

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

手机要闻

iPhone 18 Pro销量大涨!史上最贵却卖爆,有钱人真变多了?

数码要闻

Steam Frame头显第三方彩透摄像头模块Arcturus Vision上市,150美元

无障碍浏览 进入关怀版