全球(qiú)变(biàn)暖(nuǎn)的(de)挑(tiāo)战(zhàn)与(yǔ)碳(tàn)固(gù)定(dìng)的(de)新(xīn)希(xī)望(wàng)

随(suí)着(zhe)全球(qiú)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)排(pái)放(fàng)量(liàng)持(chí)续(xù)攀(pān)升(shēng)，如(rú)何(hé)将(jiāng)温室气体转化为有用化学品成为科学界的热点。C1化合物（如二氧化碳、甲酸）作为碳固定的关键原料，其高效转化技术被视为实现碳中和的“钥匙”。然而，传统生物还原反应依赖昂贵的辅因子NADH，且副产物问题突出，制约了工业化应用。

近日，北京化工大学与(yǔ)德(dé)国(guó)亚(yà)琛(chēn)工(gōng)业(yè)大(dà)学(xué)联(lián)合(hé)团(tuán)队(duì)在(zài)《化(huà)学(xué)科(kē)学(xué)与(yǔ)工(gōng)程(chéng)前(qián)沿(yán)》发(fā)表(biǎo)研(yán)究(jiū)，提(tí)出(chū)一(yī)项(xiàng)革(gé)命(mìng)性(xìng)技(jì)术(shù)：利(lì)用(yòng)氢(qīng)气(qì)驱(qū)动(dòng)的(de)氢(qīng)酶(méi)再(zài)生(shēng)NADH，成(chéng)功(gōng)将(jiāng)甲(jiǎ)酸(suān)高(gāo)效(xiào)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)二(èr)羟(qiǎng)基(jī)丙(bǐng)酮（DHA）。这一突破不仅解决了辅因子再生的经济性难题，还为碳固定技术开辟了一条绿色新路径。

氢酶：自然界的“能量转换器”

NADH是生物还原反应中的“能量货币”，但其高昂成本限制了工业应用。传统方法通过葡萄糖或甲酸再生NADH，但会产生大量副产物，且能效低下。研究团队另辟蹊径，选择了一种名为[NiFe]-氢酶（SH）的天然催化剂。这种酶能够利用氢气（H₂）将氧化态辅因子NAD⁺还原为NADH，且反应原子利用率达100%，全程无副产物生成。

“氢酶就像生物界的‘能量转换器’，”论文通讯作者徐海军教授解释，“氢气作为清洁能源，不仅成本低廉，还能在常温常压下驱动反应，大幅降低能耗。”

热力学优化：打破反应能量壁垒

C1化合物的还原反应通常面临热力学障碍。以甲酸还原为甲醛为例，其标准吉布斯自由能变化（ΔrG'）高达44.6 kJ·mol⁻¹，难以自发进行。团队通过热力学计算发现，通过提高NADH浓度并耦合后续反应，可显著降低能量壁垒。

实验中，研究人员构建了一个体外酶级联系统：

1. 甲醛脱氢酶（FaldDH）将甲酸转化为甲醛，消耗NADH；
2. 氢酶（SH）持续利用氢气再生NADH；
3. 甲醛缩合酶（FLS-M3）将三个甲醛分子高效缩合为一个DHA分子。

通过优化反应条件（pH 7.5、离子强度0.25 mol·L⁻¹），最终级联反应的ΔrG'降至-20.6 kJ·mol⁻¹，使整个路径在热力学上可行。

工业级成果：2小时生成373 μM DHA

在实验中，团队通过异源表达技术在大肠杆菌中高效生产氢酶，并通过添加镍离子（NiCl₂）提升酶的稳定性。优化后的反应系统在2小时内产出373.19 μmol·L⁻¹的DHA，甲酸转化率达7.47%，较传统方法提升显著。

“DHA是医药、化妆品等领域的重要原料，传统化学生产依赖化石能源，”论文第一作者孙瑞霜表示，“我们的技术用甲酸——一种可通(tōng)过(guò)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)电(diàn)化(huà)学(xué)还(hái)原(yuán)获(huò)得(de)的(de)原(yuán)料(liào)——替(tì)代(dài)石(shí)油(yóu)，真(zhēn)正(zhèng)实(shí)现(xiàn)了(le)‘负(fù)碳(tàn)制(zhì)造(zào)’。”

绿(lǜ)色(sè)潜(qián)力(lì)：从(cóng)实(shí)验(yàn)室(shì)到(dào)工(gōng)业(yè)化(huà)的(de)跨(kuà)越

该技术的核心优势在(zài)于其可持续性：

• 原料绿色：甲酸可通过可再生能源驱动的CO₂还原制备；
• 过程清洁：氢气作为电子供体，反应仅生成水；
• 系统高效：体外酶级联避免了细胞代谢的复杂性，易于放大生产。

研究团队指出，未来可通过固定化酶技术提升(shēng)氢(qīng)酶(méi)的(de)长(zhǎng)期(qī)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)，并(bìng)与(yǔ)上(shàng)游(yóu)CO₂捕(bǔ)集、下(xià)游(yóu)化(huà)学(xué)品(pǐn)合(hé)成(chéng)技(jì)术(shù)整(zhěng)合(hé)，构(gòu)建(jiàn)完(wán)整(zhěng)的(de)“二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)—甲(jiǎ)酸(suān)—DHA—高(gāo)附(fù)加(jiā)值(zhí)产(chǎn)品(pǐn)”产(chǎn)业(yè)链(liàn)。

挑(tiāo)战(zhàn)与(yǔ)展(zhǎn)望(wàng)

尽(jǐn)管(guǎn)成(chéng)果(guǒ)显(xiǎn)著(zhe)，该技术仍面临两(liǎng)大(dà)挑(tiāo)战(zhàn)：

1. 氢(qīng)酶(méi)复杂性：氢酶由多个亚基构成，体外表达和活性维持成本较高；
2. 规模化瓶颈：氢气在水中的低溶解度可能限制反应速率。

对此，徐海军教授表示：“我们正在探索酶固定化技术和反应器设(shè)计(jì)优(yōu)化(huà)，目(mù)标(biāo)在5年内实现中试生产。”

结语：氢能驱动的生物制造新时代

这项研究不仅为碳固定提供了新工具，更展示了氢能(néng)在(zài)生(shēng)物(wù)制(zhì)造(zào)中(zhōng)的(de)巨大潜力。正如论文所述，将可再生能(néng)源(yuán)（如(rú)太(tài)阳(yáng)能(néng)制(zhì)氢(qīng)）与(yǔ)酶(méi)催(cuī)化(huà)结合，有望打造零碳排的“生物工厂(chǎng)”。随(suí)着技术迭代，未来我(wǒ)们(men)或(huò)将看到更多以CO₂为原料的绿色化学品走向市场，为地球按下“减碳加速键”。

“每一分子DHA的合成，都是对碳中和承诺的践行。”徐海军教授总结道。这项来自中国与德国的合作研究，正为全球绿色化学工业书写新的篇章。