我们需要有助于减少污染的新技术

有没有见过工厂烟囱冒出的滚滚浓烟？ 它们对环境有什么影响？ 各类工业废气中通常含有 CO₂, 它是气候变化的主要推手之一。 CO₂ 等温室气体使热量在地球大气层中积聚, 导致气温上升, 引发极端天气, 使海平面上升, 危害生态系统。 人类活动 （例如在发电和工业生产中燃烧化石燃料） 是过量 CO₂ 的主要排放源。

为控制排放, 一些工厂尝试用过滤器捕获颗粒物或采用洗涤器去除化学物质, 但这些方法往往成本高昂、 能耗巨大, 而且效果有限。 在多数情况下, CO₂ 仍被直接排入大气。 为督促企业减排, 一些政府对超额排放处以罚款。 然而, 许多工厂缺乏可大规模减排的设备与技术, 最终只能认罚, 这无法从根本上解决问题。

要有效应对气候变化, 我们需要找到更优秀的减排方案。 能否在工业废气进入大气前直接捕获 CO₂, 将其转化为有用产物而非污染环境呢？

新兴技术:微生物碳捕集

微生物碳捕集利用细菌、 微藻等微生物, 从空气或工业废气中吸收 CO₂, 并将其转化为燃料、 肥料甚至富含蛋白质的动物饲料等有用产物 （图 1）。 这些微生物本身具有固碳能力, 而科学家可通过 基因工程等手段进一步优化其碳捕集与转化效率。 通过改变 DNA, 研究人员可增强微生物吸收 CO₂ 并转化为有用产物的能力。

微生物碳捕集技术主要分为两大类型:光生物反应器与化学供能系统。 光生物反应器利用蓝细菌或微藻等光合微生物吸收 CO₂ 和阳光来产生能量及合成有用化合物, 其工作原理是将含有 CO₂ 的气体注入微生物培养液中进行碳捕集。 化学供能系统则采用以氢气、 食物残渣或农业废料等有机废料为能量源的微生物 [1], 这些微生物在吸收 CO₂ 的同时利用化学能生产有用产物。 此类系统不依赖阳光, 因此可在自然光照受限的环境中运行。

技术助力变废为宝

目前, 该技术已在工厂和发电厂等高碳排放行业接受实地测试。 微生物碳捕集系统通常安装在排放管道或烟囱末端温度最低的地方。

安装在工业排气系统旁的光生物反应器可利用 CO₂ 和阳光生产生物柴油, 这种可再生燃料有望替代汽油或柴油等化石燃料, 为车辆和机械设备提供动力。

农业同样能从微生物碳捕集技术中受益 : 传统作物氮肥的生产工艺不仅能耗高, 还会释放大量 CO₂。 专门培育的微生物可将 CO₂ 转化为富氮化合物, 可直接从废气中生产肥料, 提供更环保的替代方案。 此技术还能生产营养丰富的动物饲料。 通过喂食 CO₂ 和其他养分, 可让微生物生成富含蛋白质的物质, 以替代种植时需消耗大量土地、 水和肥料的大豆等传统饲料 （关于替代性动物饲料, 请参阅这篇文章）。 用微生物替代作物制作饲料, 有助于节约自然资源并降低农业生产对环境的影响。

微生物碳捕集技术最显著的优势之一在于高度灵活性。 科学家可调整微生物种类或系统, 为不同行业生产特定产品。 例如, 可再生能源企业可借此生产生物柴油等生物燃料, 建筑企业则能制造用于混凝土的碳基添加剂等材料。 通过将排放物转化为有用产物, 此技术不仅能帮助企业节省成本, 避免碳排放罚款, 还能开拓新的收入渠道。

重大挑战与更大机遇

尽管微生物碳捕集技术前景广阔, 但其大规模应用仍面临一些挑战。 首要难题是多数微生物在低温环境下效能最佳, 由此难以直接处理发电厂或工厂排放的高温废气。 为解决此问题, 研究人员正在培育耐热微生物或尝试对废气进行预冷却, 但这些方案会增加成本与系统复杂性 [2]。

可扩展性是另一大挑战, 即如何将系统扩大到足以处理大型工厂和电厂碳排放的规模。 目前, 大多数微生物碳捕集系统仍处于测试阶段, 包括实验室研究和小型工厂试验项目。 科学家正致力于提升系统规模与效率, 以处理工业排放的巨量CO₂。

成本是另一个问题 [3]。 与植树造林或使用污染物过滤器等传统减排方式相比, 微生物碳捕集系统的建造和维护成本较高。 然而, 该系统产生的生物燃料、 肥料和动物饲料等有用产物可部分抵消成本, 提高企业对技术的接受度。

地域适应性也是一项挑战 : 光生物反应器需要充足阳光, 因此仅适用于日照充足地区；化学供能系统则依赖太阳能、 风能或水力等可再生能源, 但这些清洁能源尚未全面普及。 扩大清洁能源供应范围将成为推广此技术的关键。

如果能克服这些挑战, 微生物碳捕集技术将有助于减少温室气体排放、 生成有用产物, 并支持从农业到建筑等多个行业发展, 为应对气候变化和构建可持续未来提供重要助力。

术语表

微生物碳捕集 (Microbial Carbon Capture) : ↑ 利用细菌和微藻等微生物吸收 CO₂ 并转化为有用产物的技术。

微藻 (Microalgae) : ↑ 水生微型植物, 通过阳光和二氧化碳生长, 是微生物碳捕集技术的重要载体, 可生成生物燃料或肥料。

基因工程 (Genetic Engineering) : ↑ 科学家通过改变 DNA 赋予生物新能力的技术, 如增强微生物吸碳或合成有用产物的能力。

光生物反应器 (Photobioreactors) : ↑ 利用阳光和 CO₂ 培养光合生物 （如微藻） 以产生能量和有用化合物的系统。

化学供能系统 (Chemical Energy Systems) : ↑ 以氢气或有机废物 （如食物残渣/农业废料） 等化学品替代阳光为微生物供能的碳捕集系统。

生物柴油 (Biodiesel) : ↑ 从植物、 藻类或微生物中提取的可再生燃料, 可替代汽油或柴油等传统燃料。

利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

致谢

由 SJD Consulting, LLC. 科学撰稿人/编辑、 毕业于美国马萨诸塞大学陈氏医学院晨兴生物医学研究生院的 Susan Debad 博士参与撰写和编辑。 图表制作方为 Somersaultl8:24。

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