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全球(qiú)变(biàn)暖(nuǎn)的挑战与碳固定的新希望

随着全球二氧化碳排放量持续攀升，如何将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，北京化工大学与德国亚琛工业大学联合团队在《化学科学与工程前沿》发表研究，提出一项革命性技术：利用氢气驱动的氢酶再生NADH，成功将甲酸高效转化为二羟基丙酮（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(cháng)面(miàn)临(lín)热(rè)力(lì)学(xué)障(zhàng)碍(ài)。以(yǐ)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(de)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)。优(yōu)化(huà)后(hòu)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——一种可通过二氧化碳电化学还原获得的原料——替代石油，真正实现了‘负碳制造’。”

绿色潜力：从实验室到工业化的跨越

该技术的核心优势在于其可持续性：

• 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氢酶的长期稳定(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(gāi)技(jì)术(shù)仍(réng)面(miàn)临(lín)两(liǎng)大(dà)挑(tiāo)战(zhàn)：

1. 氢(qīng)酶(méi)复(fù)杂(zá)性(xìng)：氢(qīng)酶(méi)由(yóu)多(duō)个(gè)亚(yà)基(jī)构(gòu)成(chéng)，体(tǐ)外(wài)表(biǎo)达(dá)和(hé)活(huó)性(xìng)维(wéi)持(chí)成(chéng)本(běn)较(jiào)高(gāo)；
2. 规(guī)模(mó)化(huà)瓶(píng)颈(jǐng)：氢(qīng)气(qì)在(zài)水(shuǐ)中(zhōng)的(de)低(dī)溶(róng)解(jiě)度(dù)可(kě)能(néng)限(xiàn)制(zhì)反(fǎn)应(yīng)速(sù)率(lǜ)。

对(duì)此(cǐ)，徐(xú)海(hǎi)军(jūn)教(jiào)授(shòu)表(biǎo)示(shì)：“我(wǒ)们(men)正(zhèng)在(zài)探(tàn)索(suǒ)酶(méi)固(gù)定(dìng)化(huà)技(jì)术(shù)和(hé)反(fǎn)应(yīng)器(qì)设(shè)计(jì)优(yōu)化(huà)，目(mù)标(biāo)在(zài)5年(nián)内(nèi)实(shí)现(xiàn)中(zhōng)试(shì)生(shēng)产(chǎn)。”

结(jié)语(yǔ)：氢(qīng)能(néng)驱(qū)动(dòng)的(de)生(shēng)物(wù)制(zhì)造(zào)新(xīn)时(shí)代(dài)

这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)不(bù)仅(jǐn)为(wèi)碳(tàn)固(gù)定(dìng)提(tí)供(gōng)了(le)新(xīn)工(gōng)具(jù)，更(gèng)展(zhǎn)示(shì)了(le)氢(qīng)能(néng)在(zài)生(shēng)物(wù)制(zhì)造(zào)中(zhōng)的(de)巨(jù)大(dà)潜(qián)力(lì)。正(zhèng)如(rú)论(lùn)文所(suǒ)述(shù)，将(jiāng)可(kě)再(zài)生(shēng)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(jié)合(hé)，有(yǒu)望(wàng)打(dǎ)造(zào)零(líng)碳(tàn)排(pái)的(de)“生(shēng)物(wù)工(gōng)厂(chǎng)”。随(suí)着(zhe)技(jì)术(shù)迭(dié)代(dài)，未来我们(men)或(huò)将(jiāng)看(kàn)到(dào)更(gèng)多(duō)以(yǐ)CO₂为(wèi)原(yuán)料(liào)的(de)绿(lǜ)色(sè)化(huà)学(xué)品(pǐn)走(zǒu)向(xiàng)市(shì)场(chǎng)，为(wèi)地(de)球(qiú)按(àn)下(xià)“减(jiǎn)碳(tàn)加(jiā)速(sù)键”。

“每(měi)一(yī)分(fēn)子(zi)DHA的(de)合(hé)成(chéng)，都(dōu)是(shì)对(duì)碳(tàn)中(zhōng)和(hé)承(chéng)诺(nuò)的(de)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。