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将封存地下的温室气体甲烷化、液化、矿化——
微生物“导演”二氧化碳“变形记”
在寻求减缓全球气候变暖解决方案的征途中，一项被誉为“绿色魔法”的革新技术正逐渐崭露头角。科学家巧妙地利用微生物的转化能力，通过地质封存，将原本被视为环境重负的二氧化碳，转化为对地球生态系统大有裨益的宝贵资源。
日前，太原理工大学安全与应急管理工程学院能源资源生物低碳开发课题组成员冯骁和该学院副院长、教授郭红光等人分析了深地封存二氧化碳可能涉及的生物甲烷化、液化、矿化机理，并系统综述了各转化途径的研究进展。相关研究成果发表于《生物工程学报》。
微生物可转化二氧化碳
二氧化碳减排是当前我国面临的重要任务。目前学界普遍认为碳捕集、利用与封存（CCUS）是实现“双碳”目标的重要技术手段。
在二氧化碳的地质封存过程中，微生物活动不可忽视。郭红光介绍，微生物在自然界分布广泛，在深部地层中曾发现丰富的微生物菌群，甚至在近4000米深的地下科学钻探中也发现了微生物。作为深地生物圈的重要组成部分，自养微生物能够依靠自身的化能合成作用以及与其他微生物间的协同作用，通过甲烷化、液化、矿化等多种途径，将被封存的二氧化碳转化为甲烷、有机酸、碳酸钙等，能够暂时或永久地实现固碳效果。
那么，什么是二氧化碳生物甲烷化、液化、矿化？
冯骁告诉记者，二氧化碳生物甲烷化是指在产甲烷菌等特定微生物的作用下，将二氧化碳转化为甲烷的过程。这一过程通常需要在厌氧条件下进行，并需要氢作为还原剂。产甲烷菌通过一系列的酶促反应，将二氧化碳和氢转化为甲烷和水。这种转化不仅实现了二氧化碳的资源化利用，还产生了清洁能源甲烷，对于缓解能源危机和减少温室气体排放具有重要意义。
除转化为甲烷以外，微生物同样可以利用二氧化碳发酵产酸，把二氧化碳转化为高价值的液相产物，这一过程被称为二氧化碳生物液化，主要由同型产乙酸菌实现。这不仅减少了碳排放，还实现了温室气体的高值转化。
太原理工大学安全与应急管理工程学院副教授李治刚介绍，目前二氧化碳生物液化主要着眼于在地面发酵罐中的应用，在地层原位的相关研究较少。
二氧化碳生物矿化则是指在微生物诱导作用下，二氧化碳溶解并与金属离子形成碳酸盐矿物的过程。微生物活动导致的pH值升高会加速二氧化碳溶解形成CO32-。同时，微生物具有负电官能团的细胞壁以及胞外聚合物能够吸引金属离子富集，从而以细胞作为晶体成核位点，将CO32-进一步转化为碳酸盐矿物。
“微生物诱导的二氧化碳矿化反应条件易达到，生成的碳酸盐类矿物多为理化性质稳定的方解石，有利于持久固定二氧化碳。”李治刚说，二氧化碳生物矿化是二氧化碳地质封存最为稳定的方式，矿化后的二氧化碳相对来说更难被再次释放。
仍有多个问题需要解决
尽管微生物可以实现固碳，但郭红光指出，其转化效率受环境条件，如温度、压力、pH值等因素的影响，自然状态下通常效率较低。例如，地下二氧化碳矿化封存通常需要上百年甚至上千年时间。为此，人工干预能够显著提高二氧化碳生物转化速率。
郭红光介绍，目前加速转化的生物技术手段主要包括两个方面，生物刺激和生物强化。生物刺激主要从电子供应和传递角度考虑，通过添加营养物质、催化物质、施加电场等方式提高生化反应速率。生物强化是从菌群活性方面入手，通过扩大菌群来源、本源菌与外源菌相结合、富集培育与纯菌复配相结合、基因工程改造等方式提高菌群的耐受性和转化能力。
除了要提高二氧化碳生物转化速率，地质封存过程中面临的二氧化碳迁移泄漏风险也需解决。
李治刚强调，通过微生物矿化固定二氧化碳、限制二氧化碳逃逸相关研究目前仍处于起步阶段，在原位矿化机理及其影响机制、微生物矿化提速技术方法及相关工艺参数方面还需要深入研究。
在郭红光看来，二氧化碳生物转化是实现我国“双碳”目标的重要技术手段。为了最大限度地实现二氧化碳的捕获封存、转化固定以及资源化利用，探索低成本的二氧化碳生物转化技术是当前必须要解决的难题。
“当前，二氧化碳生物甲烷化、液化、矿化仍处于起步探索阶段，仅开展了初步示范应用。”冯骁介绍，目前科学家已经对二氧化碳生物转化机理有了较好理解，但CCUS背景下，地下储层环境对生物转化的影响及调控理论技术还未明晰。建立健全二氧化碳地下原位生物转化理论，开发生物转化与增速技术体系是未来需要解决的主要问题。
郭红光表示，尽管基于CCUS的二氧化碳生物转化还面临许多挑战，但这一领域正在迅速发展，其主要推动力在于该技术所展现的广阔应用前景。
“随着理论研究和技术创新的深入，我们有理由相信，地质封存中的二氧化碳生物转化技术将在未来实现产业化应用，为‘双碳’目标的达成提供坚实的技术基础。”郭红光说。
来源 | 科技日报 记者：韩荣