1 引言
地球生物都是碳基生命，碳循环在生物圈中的意义不言而喻。碳循环的第一步是生物通过利用太阳能将环境中的CO2生物固定，将光能转化为化学能，这是维持整个生物圈的物质和能量基础。之后的碳生物流从生产者到消费者，最后经过分解者回归自然被生产者再次利用。在物质和能量守恒定律的约束下，自然界大大小小的生物圈处于完美的和谐之中。但是随着地球人口数量爆炸式增长，粮食短缺、能源危机、环境污染等重大国计民生问题日益突出。人类在利用自然界的生物质和能源时，一是过量消费生产者导致碳生物流源头枯竭，二是过度开发化石能源使自然界过剩的生物固定碳再次释放。因为没有考虑能量和物质利用后的再生和再循环问题，从而造成目前诸多能源和环境问题，如CO2过量排放导致的温室效应及次生气候灾害、海洋酸化等。
为满足人类对物质和能量的需求，人们开始有意识地保护现有生物圈和合理再建碳生物流循环。CO2的生物固定是碳生物流循环中最重要的关键环节，目前主要的研究方向是提高CO2生物固定的效率，以及合理开发可再生和可持续发展的生物新能源，以解决粮食短缺、能源危机和环境污染等问题。本文将综述CO2的生物固定的途径、碳浓缩机制，以及植物工程固碳、生物新能源的开发和利用、污水和废气处理等方面的研究进展。
2 CO2生物固定的途径
生物固碳是自养生物吸收无机碳转化为有机物的过程。CO2生物固定的代谢通路已经历了上亿年的进化，通过各种不同的酶和机制催化C-H、C-C，或C-O键之间的连接或断裂的生化代谢，将CO2生物转化为有机碳化合物。CO2生物固定是自然界最重要的生物合成过程，目前已发现有六条CO2生物固定相关的代谢通路。包括：卡尔文循环；还原三羧酸循环；还原乙酰辅酶A途径；3-羟基丙酸双循环；3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环；二羧酸/4-羟基丁酸循环。深入了解这些以化学键方式储存和利用能量的相关代谢通路，进而实现可控和可生产的生物系统，或是系统合成有机碳生物燃料，对于未来粮食生产和能源保障非常关键。
3 CO2生物固定的碳浓缩机制
自养生物中卡尔文循环是最普遍的CO2固定途径，广泛存在于植物、藻类、蓝细菌等生物中。卡尔文循环中生物固碳酶RubisCO是碳生物固定过程最重要的关键酶，也是自养生物从无机碳生成有机物的最主要制约环节。RubisCO是一个非常有名的低效羧化酶，不仅是对于CO2的亲和力非常低，催化反应速率极慢，而且对CO2和O2底物识别特异性差，O2与CO2竞争RubisCO的结合位点。因此为克服RubisCO的局限性，很多植物进化出了CO2浓缩机制（carbon dioxide concentrating mechanisms，CCMs）。如C4途径和景天酸代谢途径，使得CO2先以C4形式固定在胞浆中，然后再转运到RubisCO附近提高CO2浓度以增强CO2固定效率。低等光能自养生物（如微藻和蓝细菌）进化的CCMs，包括蓝细菌中的羧化体，藻类中的淀粉核，都是RubisCO与相关蛋白形成聚合体，成为细胞中的亚细胞器。同时在CO2的转运和CO2/HCO3-的分子形态转化方面，不同的生物也进化了相应的HCO3-转运体，和多种碳酸酐酶，以保障CO2能够在RubisCO附近增加浓度，提高固定效率。
4 生物新能源的开发和利用
寻找化石燃料的替代能源是全球面临的迫切需求。生物新能源是一种可持续发展的可再生的新能源，在过去的二十年内发展迅速，已从第一代发展到第三代生物燃料。一般来说，生物燃料包括生物乙醇、生物柴油、生物氢气和沼气等，均来源于生物材料。第一代生物燃料来源于农作物，如甜菜、甘蔗、大豆、玉米、棕榈、油菜籽等植物油和动物脂肪。第二代生物燃料，利用植物非食用部分，如木质纤维素生物质、农林废弃物等，发酵生产乙醇。第三代生物燃料则是以藻类和蓝细菌为代表，生产生物燃油和生物柴油。
4.1 生物燃油
蓝细菌有成为生物燃料生产平台的巨大潜力，因为它们生长快速，可高效固定CO2，易于基因工程改造。而且蓝细菌的培养不需要发酵的有机碳源，也不与农作物争夺土地资源。通过对自然光高效利用的光合作用，可实现规模化生产化合物和生物燃料。蓝细菌已被用于生产各种生物燃料相关化合物。
4.1.1 乙醇
蓝细菌细长聚球藻（S.elongatus），通过基因工程加入丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶，已成功改造为从丙酮酸生产乙醇的菌株。之后进一步的改造使得蓝细菌生产乙醇的产量获得极大提高。乙醇相对现有的燃油，由于其吸湿性和低能密度，主要作为汽油的补充，而不能替代汽油。因此人们致力于寻找更长碳链燃料。
4.1.2 异丁醛
通常来源于石油的一种重要的碳氢化合物的化学原料，通过加入酮酸脱羧酶改变缬氨酸生物合成通路的碳流方向后，也在S. elongatus 中成功生产，8天内表达量可达1.1g/L。
4.1.3 异丁醇
一种汽油的替代品，可以很容易通过化学转化异丁醛获得。通过S.elongatus直接生物合成异丁醇，也可以通过再加入乙醇脱氢酶获得，6天内产量可达450mg/L。S. elongatus内引入三种异源酶，乙酰乳酸合酶，2-乙酰乳酸脱羧酶，乙醇脱氢酶，可以从丙酮酸转化为化学原料2，3-丁二醇，21天内表达量达2.4g/L。
其他利用蓝细菌异源生物通路生物合成化学产物的还包括1-丁醇，2-甲基-1-丁醇，丙酮，乙烯，异戊二烯，脂肪酸等。
4.2 生物柴油
生物柴油是通过脂肪酸与短链醇转酯作用生成的长链脂肪酸的单烷基酯，如脂肪酸甲基酯（FAMEs）或脂肪酸乙基酯（FAEEs）。所有的生物燃料中，生物柴油可能最受重视，因其与传统柴油的化学结构和能含量（内能）相似。此外，柴油机使用生物柴油不需要改造，在德国，意大利和马来西亚等国，生物柴油已作为商用运输用燃料与柴油混合使用。与来源石油的柴油不同，生物柴油可生物降解而且无毒，作为燃料燃烧时产生的有毒物质和其他温室排放物显著减少。
微藻被认为是一种优良的生物柴油生产系统。石油即源自远古藻类化石中的脂肪酸，也是目前液体燃料的主要来源。微藻通过光合作用，生产大量的脂类和碳水化合物，可进一步加工为各种生物燃料和有价值的产品。微藻种类约有50000种，某些FAME含量高的微藻，通常作为生物柴油的生产品种。藻类生长周期短，相较于油料种子作物产油量更高。微藻油含量最高可达80%，一般微藻都可以达到20-50%的水平，大约每年每英亩可产生物柴油5000～15000加仑。因此微藻被称为可循环的绿色油田。除了生物燃料，微藻也能合成各种生物活性的化合物，应用于营养制品，药品，化学和食品工业。
5 生物除污和废气处理
城市、农业和工业废水，通过初级和二级废水处理过程，将清澈的相对洁净的水排放到自然水体。但是，无机氮和磷及一些重金属相对难以处理。微生物为废水处理提供了三级生物处理途径，同时还可以生产有价值的生物质，作为饲料，饲料添加剂，肥料或微生物制剂用于多种用途。此外，化学氧化还原和生物电化学系统可以回收无机物或合成有机产品。
微藻用于废水的生物除污处理尤其有吸引力。因为微藻可以利用废水中无机氮和磷快速生长，清除重金属，以及一些有毒的有机化合物，不会导致二次污染。同时可以生产生物柴油，以及各种生物活性的化合物。目前已有上千种的微藻被报道可以耐污染。藻类除污系统可用于人类下水道污水，家畜和水产养殖排放废水，以及食品加工厂污水的处理等。例如从英国塔尔伯特港的炼钢厂排放水体中分离得到的微藻用于生物除污实验中，藻类和细菌混合物投放到在600L的光反应器中经过5天培养后，废水中99%的氮和磷被清除。发电厂，采矿，矿物加工厂是金属污染和CO2排放的重灾区。比如在煤炭发电厂的洗灰水中培养藻类，其生物质产量从6.8gm-2d-1增长至22.5gm-2d-1（干重），同时还可以清除铅、镉、汞、钪、锡、砷、溴等金属污染。
6 植物工程固碳
粮食增产的实质是设法提高农作物光合作用的效率，减少呼吸作用的消耗。世界上主要的粮食作物中，C3作物（水稻、小麦、大豆等）相较于C4作物（玉米、高粱、甘蔗等）的光合效率低。因此，提高粮食产量的途径主要是基因工程改造C3作物，提高其光合作用效率。
植物光合作用最终通过卡尔文循环实现碳同化，最关键的酶是RubisCO。所以RuBisCO的基因改造成为增强光合作用的主要目标，但是目前并没有获得成功。目前的策略大多是基因重组表达催化速率较快，选择性稍弱的RuBisCO，比如蓝细菌的快速型酶RubisCO。蓝细菌（Synechococcus PCC6301）的RubisCO，尽管与CO2的亲和力较低（Km=200uM），但催化速率较快（Vmax=12sec-1）。相对而言，C3作物如烟草中的RubisCO则是慢速型酶（Vmax=3sec-1；Km=10.7uM）。Lin等将蓝细菌的RubisCO通过转基因技术转化到烟草的叶绿体内。在高CO2浓度的生长条件下，转基因植物的生长速度令人惊讶。
除了增强光合作用效率外，另一种途径是减少固定碳和能量的消耗，如改造光呼吸的通路或增加相关代谢中间体和酶的稳定性。比如卡尔文循环对热敏感；因为高温下代谢中间体不稳定，以及RuBisCO activase活化酶热不稳定。所以表达热稳定的RuBisCO活化酶可以在增加适度热压下生物质的积累。改变RubisCO加氧酶活性产生磷酸乙醇酸的路线，在叶绿体中通过表达两种细菌来源的旁路（乙醇酸-甘油酸或乙醇酸-苹果酸），也能提高CO2固定的速率和生物质的积累。
7 讨论
据分析，世界已探明的主要矿物燃料储量和开采量不容乐观，化石能源终将耗竭。因化石燃料过量使用而引发的温室效应和全球气候变暖及次生气候异常和灾害，已经引起了世界各国的普遍关注。目前正在推进制定国际气候变化公约，减少二氧化碳的排放已经成为大势所趋。因此，国内外都在积极探索发展替代燃料和可再生能源。随着世界能源危机的加剧，生物质能源的开发利用已成为当今国际上的一大热点。
由于对生物固碳的代谢通路、碳浓缩机制的深入了解，生物固碳在生活和生产的各个领域的应用都受到各国政府的高度重视。生物新能源的发展目前已进入第三代。通过基因工程改造和合成生物学技术，蓝细菌和微藻已成为第三代生物燃料新能源的生产平台。生物新能源是替代化石能源的持续可发展新能源，不占用土地资源。利用光能的自养生物生产生物燃油和生物柴油的合成生物学技术是非常值得重视的发展方向。未来第四代的生物燃料，可直接将无穷尽的太阳光、水、CO2原料转化为燃料。生物固碳是自养生物吸收无机碳转化为有机物的过程。基于目前对生物固碳机制了解的不断深入，通过植物工程提高光合作用效率，培育高产优质植物新品种和新物种，是提高粮食产量的有效途径，对于未来粮食生产和能源保障非常关键。
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收稿日期：2017-11-06
作者简介：刘可心（2000-），女，吉林长春人，北京市建华实验学校学生，研究方向：生物。
