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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(wēn)室(shì)气(qì)体(tǐ)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)有(yǒu)用(yòng)化(huà)学(xué)品(pǐn)成(chéng)为(wèi)科(kē)学(xué)界(jiè)的(de)热(rè)点(diǎn)。C1化(huà)合(hé)物(wù)（如(rú)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)、甲(jiǎ)酸(suān)）作(zuò)为(wèi)碳(tàn)固(gù)定(dìng)的(de)关键原(yuán)料(liào)，其(qí)高(gāo)效(xiào)转(zhuǎn)化(huà)技(jì)术被视为实现(xiàn)碳(tàn)中(zhōng)和(hé)的(de)“钥(yào)匙(shi)”。然(rán)而(ér)，传(chuán)统(tǒng)生(shēng)物(wù)还(hái)原(yuán)反(fǎn)应(yīng)依(yī)赖(lài)昂(áng)贵(guì)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(tí)，还(hái)为(wèi)碳(tàn)固(gù)定(dìng)技(jì)术(shù)开(kāi)辟(pì)了(le)一(yī)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(huà)剂(jì)。这(zhè)种(zhǒng)酶(méi)能(néng)够(gòu)利(lì)用(yòng)氢(qīng)气(qì)（H₂）将(jiāng)氧(yǎng)化(huà)态(tài)辅(fǔ)因(yīn)子(zi)NAD⁺还(hái)原(yuán)为(wèi)NADH，且(qiě)反(fǎn)应(yīng)原(yuán)子(zi)利(lì)用(yòng)率(lǜ)达(dá)100%，全程(chéng)无(wú)副(fù)产(chǎn)物(wù)生(shēng)成(chéng)。

“氢(qīng)酶(méi)就(jiù)像(xiàng)生(shēng)物(wù)界(jiè)的(de)‘能(néng)量(liàng)转(zhuǎn)换(huàn)器(qì)’，”论(lùn)文通(tōng)讯(xùn)作(zuò)者(zhě)徐(xú)海(hǎi)军(jūn)教(jiào)授(shòu)解(jiě)释(shì)，“氢(qīng)气(qì)作(zuò)为(wèi)清(qīng)洁(jié)能(néng)源(yuán)，不(bù)仅(jǐn)成(chéng)本(běn)低(dī)廉(lián)，还(hái)能(néng)在(zài)常(cháng)温(wēn)常(cháng)压(yā)下(xià)驱(qū)动(dòng)反(fǎn)应(yīng)，大(dà)幅(fú)降(jiàng)低(dī)能(néng)耗(hào)。”

热(rè)力(lì)学(xué)优(yōu)化(huà)：打(dǎ)破(pò)反(fǎn)应(yīng)能(néng)量(liàng)壁(bì)垒(lěi)

C1化(huà)合(hé)物(wù)的(de)还(hái)原(yuán)反(fǎn)应(yīng)通(tōng)常(cháng)面(miàn)临(lín)热(rè)力(lì)学(xué)障(zhàng)碍(ài)。以(yǐ)甲(jiǎ)酸(suān)还(hái)原(yuán)为(wèi)甲(jiǎ)醛(quán)为(wèi)例(lì)，其(qí)标(biāo)准(zhǔn)吉(jí)布斯自由能变化（ΔrG'）高(gāo)达(dá)44.6 kJ·mol⁻¹，难(nán)以(yǐ)自(zì)发(fā)进(jìn)行(xíng)。团(tuán)队(duì)通(tōng)过(guò)热(rè)力(lì)学(xué)计(jì)算(suàn)发(fā)现(xiàn)，通(tōng)过(guò)提(tí)高(gāo)NADH浓(nóng)度(dù)并(bìng)耦(ǒu)合(hé)后(hòu)续(xù)反(fǎn)应(yīng)，可(kě)显(xiǎn)著(zhe)降(jiàng)低(dī)能(néng)量(liàng)壁(bì)垒(lěi)。

实(shí)验(yàn)中(zhōng)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)构(gòu)建(jiàn)了(le)一(yī)个(gè)体(tǐ)外(wài)酶(méi)级(jí)联(lián)系(xì)统(tǒng)：

1. 甲(jiǎ)醛(quán)脱(tuō)氢(qīng)酶(méi)（FaldDH）将(jiāng)甲(jiǎ)酸(suān)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)甲(jiǎ)醛(quán)，消(xiāo)耗(hào)NADH；
2. 氢(qīng)酶(méi)（SH）持(chí)续(xù)利(lì)用(yòng)氢(qīng)气(qì)再(zài)生(shēng)NADH；
3. 甲(jiǎ)醛(quán)缩(suō)合(hé)酶(méi)（FLS-M3）将(jiāng)三(sān)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(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(yuè)

该(gāi)技(jì)术(shù)的(de)核(hé)心(xīn)优(yōu)势(shì)在(zài)于(yú)其(qí)可(kě)持(chí)续(xù)性(xìng)：

• 原(yuán)料(liào)绿(lǜ)色(sè)：甲(jiǎ)酸(suān)可(kě)通(tōng)过(guò)可(kě)再(zài)生(shēng)能(néng)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性，并与上游CO₂捕集、下游化学品合成技术整合，构建完整的“二氧化碳—甲酸—DHA—高附加值产品”产业链。

挑战与展望

尽管成果显著，该技术仍面临两大挑战：

1. 氢酶复杂性(xìng)：氢(qīng)酶(méi)由(yóu)多(duō)个(gè)亚(yà)基(jī)构(gòu)成(chéng)，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计优化，目标在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，更展示了氢能在生物制造中的巨大潜力。正如论文所述，将可再生能源（如太阳能制氢）与酶催化结合，有望打造零碳排的“生物工厂”。随着技术迭代，未来我们或将看到更多以CO₂为原料的绿(lǜ)色(sè)化(huà)学(xué)品(pǐn)走(zǒu)向(xiàng)市(shì)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。