环境生物学课件CO2固定

微生物固碳及其在CO2吸收与资源化中的应用12ApplicationofCarbonFixationMicro-organismsinAbsorptionandResourcesofCO23CO2与重大环境问题CO2固定及其资源化技术微生物固碳原理及其应用1.CO2与全球重大环境问题图1.1全球人为温室气体排放1.1CO2排放量不断增长1.CO2与全球重大环境问题1.1CO2排放量不断增长工业化前的稳态全球C循环海洋酸化1.2CO2引发的全球温室效应及其次生问题模式仅考虑自然强迫的模拟结果；模式同时考虑自然和人为强迫的模拟结果；观测结果图1.2全球和大陆温度变化1.CO2与全球重大环境问题莫纳罗亚（红色曲线）和南极（黑色曲线）观测到的大气CO2浓度1.CO2与全球重大问题土壤荒漠化海平面上升灾害天气频发生物多样性减少1.2CO2引发的全球温室效应及其次生问题●CO2的捕集/利用/封存方法主要有物理法、化学法和生物法2.CO2固定及其资源化技术●物理法有冷却分离、地质封存、海洋封存和吸收液吸收等等(1)冷却分离：利用CO2具有在31℃、7.39MPa下液化的特点，对烟气进行多级压缩和冷却可使CO2液化得以分离。(2)地质封存：是直接将CO2注入地下的地质构造当中，如油田、天然气储层、含盐地层和不可采煤层等都适合CO2的储存。与地质封存关联的另一种处理方式是CO2的再利用。即将CO2注入正接近枯竭的油田以提高石油采收。(3)海洋封存：利用目前CO2的海洋封存主要有2种方案：一种是通过船或管道将CO2输送到封存地点，并注入1000m以上深度的海中，使其自然溶解；另一种是将CO2注入3000m以上深度的海里，由于CO2的密度大于海水，因此会在海底形成固态的CO2水化物或液态的CO2湖，从而大大延缓了CO2分解到环境中的过程。(4)液体吸收：通过改变CO2与吸收液之间的压力和温度可以达到吸收CO2的目的。常用的吸收液有丙烯酸酯、甲醇、乙醇、聚乙二醇等高沸点有机溶剂，其吸附能力取决于操作温度和压力，气体的分压越高或温度越低，系统的吸收能力就越强。2.CO2固定及其资源化技术2.1物理法●化学法有矿石碳化、吸收法、化学合成等(1)矿石碳化：是利用CO2与金属氧化物发生反应生成稳定的碳酸盐从而将CO2永久性地固化起来。(2)吸收法：则主要采用碱性溶液对CO2进行溶解分离。然后通过脱析分解分离出CO2气体同时对溶剂进行再生，典型的化学吸收溶剂主要是K2CO3水溶剂（再加少部分胺盐或钒、砷的氧化物）和乙醇胺类水溶液（如MEA、DEA和MDEA等）。(3)化学合成：包括合成环状碳酸酯、碳酸二甲酯(DMC)、环状尿素和环状尿烷。CO2加入到环氧化物中合成环状碳酸酯已经工业化，但催化剂的研制工作仍在继续。2.2化学法2.CO2固定及其资源化技术●生物法固定CO2主要靠植物和微生物的作用。●绿色植物光合作用是地球上最为普遍、规模最大的反应过程，在有机物合成、保持碳循环的稳定等方面起很大作用。根据高等植物光合作用碳同化途径的不同，可将植物划分成为C3植物、C4植物、C3－C4中间植物等。●微生物固碳的环境适应性高于植物。固碳效率是植物的5－10倍。●影响生物固碳效率的主要因素为固碳途径及其关键酶的活性以及CO2固定过程中所需能量的有效供给2.CO2固定及其资源化技术2.3生物法3.微生物固碳及其资源化技术3.1固定CO2微生物种类表3.1固定CO2的微生物种类碳源能源好氧／厌氧微生物二氧化碳光能好氧藻类蓝细菌厌氧光合细菌化能好氧硝化细菌氢-氧化细菌硫化细菌铁细菌锰细菌一氧化碳细菌厌氧甲烷菌醋酸菌3.微生物固碳及其资源化技术3.2微生物固定CO2主要途径●自养微生物通过生物氧化（包括氧化磷酸化、光合磷酸化和发酵）获取能量用于CO2的固定并以此作为自身生长繁殖的碳源。●至今了解的微生物固定CO2途径主要有5条，即Calvin循环途径、厌氧乙酰－CoA途径、逆向TCA循环、3-羟基丙酸/苹果酰-CoA循环(3-羟基丙酸/4-羟基丁酸酯循环)、和甘氨酸途径，分布在不同种属的微生物中。●卡尔文循环是植物最主要的固碳途径，植物能利用其合成淀粉等产物。大致可分为三个阶段，即羧化阶段、还原阶段和再生阶段。而卡尔文循环也是微生物固定CO2的重要途径。3.微生物固碳及其资源化技术3.2.1Calvin循环*图中①为核酮糖二磷酸羧化酶；②为磷酸核酮糖激酶Calvin循环的总式为：6CO2+12NAD(P)H2+18ATP→C6H12O6+12NAD(P)+18ADP+18Pi3.微生物固碳及其资源化技术3.2.2逆向TCA循环3.微生物固碳及其资源化技术3.2.3羟基丙酸途径3.微生物固碳及其资源化技术3.2.4厌氧乙酰－CoA途径*图中THF为四氢叶酸3.微生物固碳及其资源化技术3.2.5甘氨酸途径3.微生物固碳及其资源化技术3.2.6不同微生物固定CO2主要途径1.Calvin循环2.逆向TCA循环3.厌氧乙酰-CoA途径和甘氨酸途径4.3-羟基丙酸/苹果酰-CoA循环5.3-羟基丙酸/4-羟基丁酸酯循环环境中的微生物固碳可能是多种微生物的多个固碳途径的共同作用藻类氢－氧化细菌经济价值较高产微藻能源需光照培养不耐高CO2浓度生长速率快环境适应性强但培养中需要通入氢气3.3微生物固定CO2的应用研究3.微生物固碳及其资源化技术3.4微生物固碳技术的发展趋势3.微生物固碳及其资源化技术●筛选在普通环境下高效固碳的微生物●开发高效的生物反应器●基因工程菌（关键酶）●高效电子供体的研究与开发●耦合固碳工艺(1)研究目的：•处理工业废气(10％~20％CO2)•土壤改良(2)研究意义：不仅可以起到减排工业CO2的目的，同时可实现农业CO2的减排（土壤中二次固碳），是解决土壤荒漠化的可能途径。3.5不用供氢与光照的固碳微生物3.微生物固碳及其资源化技术3.微生物固碳及其资源化技术(3)非光合固碳微生物的选育非光合固碳微生物样品来源：黄海、东海、南海、南极海域的海水和沉积物（南极样品由极地所南极考察队提供)。3.微生物固碳及其资源化技术(4)非光合固碳微生物的驯化好氧及厌氧条件下驯化驯化时间好氧厌氧驯化6个月约50％37％微生物驯化后固碳能力增长量3.微生物固碳及其资源化技术(5)非光合固碳微生物的工艺优化051015202530空白亚硝酸钠氯化铵硫代硫酸钠硫化钠氢气总有机碳(mg/L)沉积物样海水样图2.3好氧状况下培养4d菌群TOC值(空白加硫酸铵）不同电子供体的影响3.微生物固碳及其资源化技术不同筛选地的DGGE图谱（6）非光合固碳微生物菌群的结构3.微生物固碳及其资源化技术加入不同电子供体的DGGE分析割胶条带序列长度／bpGenBank数据库中最相似菌种名称（序列号）相似度／%1-3189Unculturedbacteriumclone(EU509144)962-4169Marinebacterium'Isolate5'(AY082665)983-10169Unculturedbacterium(EU574677)984-1169MarinebacteriumHP22(AY239006)995-2189Unculturedbacterium(AY328485)976-5190Unculturedbacteriumclone(EU857874)907-5194UnculturedPseudomonassp.(AF467304)1008-3189Unculturedbacterium(EU652656)969-3169AlphaproteobacteriumDG1293(DQ486505)9910-5169UnculturedThioclavasp.(EU167470)9811-3169Unculturedgammaproteobacterium(AY711683)9912-1194UnculturedStenotrophomonasbacterium(EF562149)9813-5169Unculturedbacterium(AB244004)9814-7169MarinealphaproteobacteriumRS.Sph.020(DQ097294)9915-2194Unculturedbacterium(EF034329)9716-7169MarinebacteriumSE83(AY038922)99DGGE条带的序列比对结果3.微生物固碳及其资源化技术优势菌的系统发育树（7）混合固碳微生物的优势混合微生物形成一个二氧化碳同化系统，微生物间可能产生共生效应（能量代谢与合成代谢的协同）3.微生物固碳及其资源化技术不同电子供体的菌群结构（a来源于海水；b来源于土壤；c相似性）AutotrophicMicroorganismsCO2OrganicsCellularcomponentsExopolysaccharideHeterotrophicMicroorganisms12345CellularcomponentsOrganics（8）混合电子供体间交互作用3.微生物固碳及其资源化技术多种电子供体间存在交互作用（促进或者相互抑制）某一混合电子供体的固碳效率远高于三种单一电子供体固碳效率的加合（能量的供应效率和有效性）非光合固碳微生物的高密度培养高传质低能耗的生物反应器开发高性能封闭式及敞开式光生物反应器开发高效混合电子供体综合过程控制技术高效率固碳及高油脂产率的能源微藻光自养培养能源微藻低成本高效采收非光合固碳微生物低成本高效采收低碳化土壤改良剂制备工业尾气CO2能源微藻异养培养技术高性能装备研发生物柴油制备工艺优化藻渣制备饲料的工艺优化3.微生物固碳及其资源化技术（9）微藻/非光合微生物耦合固碳及其资源化技术方案ABEFCDIJ1GHJ2K1K2TABCDEFGHTHEEND