综述：微藻固碳的工程与生物机制：从分子调控到系统优化

《Microorganisms》：Engineering and Biological Mechanisms of Microalgal CO2 Fixation: A Review from Molecular Regulation to System Optimization Zhongliang Sun, Weixian Chen, Yu Xie, Shoukai Guo, Liqin Sun and Qiang Wang

　　

微藻是地球上最高效的光合生物之一，其固定二氧化碳（CO2）的能力将全球碳循环与绿色能源转换直接联系起来，是助力实现碳中和的战略性生物平台。本综述提供了一个关于微藻固定CO2的工程和生物机制的多尺度、全面的综合性论述，整合了从气液传质、CO2同化途径、关键酶系统、代谢调控到环境控制等多方面的视角。从工程学角度看，研究人员分析了从气相到液相CO2传递的限制因素，并批判性地评估了旨在提高培养系统中无机碳有效性的强化策略。在生物和生物化学层面，研究人员剖析了碳浓缩机制（CCM），包括C4类途径，并阐明了Rubisco和碳酸酐酶（CA）系统的结构组织、调控特性和功能协调。特别强调了酶水平调控与代谢通量重新分布之间的耦合，辅以来自代谢通量分析和系统水平建模的见解，以期为提高羧化效率奠定理论和工程基础。最后，研究人员提出了一个关于微藻固碳技术未来发展的综合路线图，强调了合成生物学、人工智能和系统工程在实现从分子机制到反应器尺度性能的端到端优化方面的汇聚，同时能够实现废气流和循环碳利用的价值化。本综述旨在为开发高效、智能、可持续的微藻固定CO2系统提供一个连贯的理论框架和前瞻性视角。

论文主体内容总结

1. 引言

全球气候变化加剧，碳中和战略在全球范围内日益受到重视。微藻因其丰富的多样性、快速的生长速率和卓越的光合性能，已成为极具潜力的生物固碳平台。其光合效率可比陆生植物高3-5倍，据估计全球年固碳量中近40%由微藻系统贡献。微藻固碳不仅直接降低大气CO₂浓度，还能将无机碳转化为生物能源载体和高价值生物产品，从而形成“CO₂捕获-转化-利用”的闭环框架。微藻固碳本质上是跨越物理传质限制和复杂生物调控的多尺度过程。从工程角度看，CO₂从气相到细胞水性环境的高效转移是限制整体固碳效率的主要瓶颈。从生物角度看，微藻进化出了多样化且高效的碳同化策略。系统性地理解传质过程如何与细胞内碳同化和调控网络相互作用，对于理性的系统优化至关重要。

2. 气液传质与微藻固碳中的强化策略

2.1. 微藻系统中CO₂气液传质的基本限制

在微藻固碳过程中，第一个且往往是限速步骤不是细胞内羧化，而是无机碳从气相输送到细胞可获取溶解CO₂(CO₂(aq)) 和HCO₃^?的水性介质中。CO₂在光生物反应器中的传递不能被视为简单的物理吸收过程，其溶解与快速的水相形态转变（CO₂(aq)/HCO₃^?/CO₃^2?）相耦合，意味着pH动态、碱度和脱气共同塑造了有效驱动力和净碳平衡。两个相互耦合的限制主导了上游瓶颈：亨利定律在给定气相分压下对溶解CO₂浓度施加了热力学上限；气液界面的流体动力学更新控制了液侧边界层厚度，常用体积传质系数（K_La）来表征。与惰性气体吸收不同，藻类培养物中的CO₂传递与碳酸盐化学和生物吸收密不可分。这导致单纯增加通气量并不能保证改善碳捕获效果，因为增强的湍流可能同时加速吸收和解吸。在过程层面，当CO₂输送与细胞需求不匹配时，这些限制会转化为显著的碳损失。

2.2. 光生物反应器中气液传质强化的工程策略

常规的微藻培养系统依赖于有限的一组反应器构型，包括开放式跑道池和封闭式光生物反应器（如平板式、管式、鼓泡塔式、气升式和搅拌釜式）。开放式跑道池资本和运营成本低，但通常存在界面更新弱、CO₂逃逸快的问题。封闭式光生物反应器缓解了其中一些限制，但其优势取决于可实现的体积传质系数、气体停留时间和能量输入之间的平衡。反应器选择本质上是传质架构的选择，CO₂固定性能的改进需要明确地对界面面积、更新频率和能源效率进行工程设计，而不仅仅依赖于反应器几何形状。第二个手段是界面工程，涉及增加气液接触面积和延长CO₂停留时间。系统地改变气泡尺寸可改变CO₂固定和生物质合成，并引发可测量的代谢反应。CO₂纳米气泡可改善溶解和气液传质行为，并在藻类培养条件下稳定CO₂供应和pH。第三个手段是通过膜将碳输送与鼓泡损失解耦。例如，使用液体-液体膜接触器将溶剂捕获的CO₂转移至跑道池。除了基于硬件的强化，CO₂传质还可以通过培养基中的反应/溶解度工程来加强。引入CO₂吸收剂（如链烷醇胺）会产生化学增强因子，形成的氨基甲酸酯作为可循环的CO₂载体，充当细胞的缓释无机碳库。外源性碳酸酐酶（CA）通过加速CO₂/HCO₃^?相互转化，进一步将吸收与转化耦合。

2.3. 耦合的光-传质优化与新兴智能输运策略

大规模微藻固碳日益受到CO₂输送、光可用性和细胞吸收能力之间动态不匹配的限制。因此，下一代传质创新正从基于硬件的强化转向模型支持、传感器驱动、闭环操作。例如，串联罐和动力学模型已被应用于描述鼓泡塔培养中烟气CO₂的利用。同时，人工智能和机器学习（AI/ML）正成为将高频传感器数据转化为可操作控制决策的操作层。物联网传感器与随机森林、XGBoost等机器学习模型结合，可用于预测生长并自动调节泵送和光照。在过程层面，混合神经模糊系统和进化优化算法已被用于预测不同藻株和培养条件下的CO₂固定性能。

3. 微藻中的碳浓缩机制

3.1. CCM的功能类型与概念框架

尽管不同光合谱系中CCM的架构和代谢途径存在相当大的差异，但微藻CCM可根据其CO₂富集模式大致分为三类：生物物理CCM、生物化学（C₄类）CCM以及混合或复合CCM。

3.2. 生物物理CCM

生物物理CCM是研究最广泛、分布最广的碳浓缩系统形式，存在于蓝细菌和许多真核微藻中。其定义性特征是主动无机碳吸收与空间微区室化的结合，从而在Rubisco周围实现局部高CO₂水平。其核心原理是通过膜转运系统产生细胞内无机碳（Ci）库，随后在Rubisco附近进行HCO₃^?到CO₂的空间受控转化。从结构和进化角度看，生物物理CCM主要依赖于两种不同的微区室：蓝细菌中的羧酶体和真核藻类中的蛋白核。尽管结构不同，但两个系统都包含三个功能模块：（1）Ci转运系统，（2）空间受控的碳酸酐酶（CA）活性，（3）Rubisco在具有扩散限制的区室中的局部富集。

3.3. 生物化学（C₄类）CCM

维管植物中经典的C₄光合作用依赖于叶肉细胞和维管束鞘细胞之间的空间分离。微藻缺乏组织水平的区室化，长期以来被认为不具备C₄代谢能力。然而，越来越多的证据表明，在某些藻类谱系中存在C₄类生物化学CCM。在这些系统中，HCO₃^?可能在细胞质中被PEPC（磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶）初步固定形成草酰乙酸（OAA），随后转化为苹果酸或天冬氨酸并转运到叶绿体或线粒体中。通过NAD-ME、NADP-ME或PEPCK（磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶）脱羧在局部释放CO₂。C₄类途径通常在低CO₂、高光、高光呼吸压力或营养限制条件下被诱导。与典型的陆生C₄光合作用不同，在大多数微藻中尚未明确证实存在与植物C₄系统相当的持续高通量循环运行。

3.4. 混合或复合碳浓缩机制

与蓝细菌相比，一些具有复杂内共生起源的真核微藻表现出更精细的碳浓缩策略，通常被描述为混合或复合CCM，反映了在单个主导途径中整合了多种CO₂富集机制。混合CCM结合了主动的碳酸氢盐吸收、辅助的C₄类酶促反应以及多层质体膜施加的结构扩散限制。在源自二次或三次内共生的生物体中，额外的膜和质体外周区室创造了固有的空间组织，可能促进协调的碳路由和保留。硅藻被广泛认为是混合CCM组织的代表性例子。混合CCM的一个定义性特征是它们的动态调节可塑性，其不同模块可以根据环境CO₂可用性、光强、营养限制或混合营养生长条件被差异性地激活或减弱。然而，混合CCM组件之间的内部协调和定量通量分布仍未完全解决。

3.5. CCM的增强、工程与重编程

近年来，机理理解方面的进展和新兴的工程努力已将CCM研究从描述性表征转向定向操纵。当前的努力越来越强调多尺度工程策略，涵盖基因调控、能量耦合、代谢重新分配和反应器水平整合。

3.5.1. 合成与增强CCM模块的构建

无机碳（Ci）转运蛋白已被确定为CCM内的关键调控节点。在低CO₂条件下，高亲和力HCO₃^?/CO₂转运蛋白的表达与增加的细胞内溶解无机碳（DIC）水平和改善的Rubisco底物可用性相关。外源性碳酸酐酶（CA）或CA相关辅因子的补充已被应用于改善光生物反应器中的无机碳可用性。受蓝细菌高效生物物理CCM的启发，一些研究尝试在非天然宿主中重建关键的CCM组件，包括植物叶绿体和酵母。

3.5.2. 调控网络与能量耦合优化

CCM运行是耗能的过程，并与光合电子传递、ATP合成和质子动力梯度产生紧密耦合。因此，增强光合电子流或优化光反应与碳同化之间的能量分配已成为提高CCM效率的有前景的策略。在低CO₂条件下，CCM激活、光呼吸和线粒体代谢之间的相互作用是依赖于具体情境的。

3.5.3. 系统与代谢水平的CCM强化

多组学分析和基因组规模代谢建模的见解强调，增强CCM功能不仅需要增加Ci捕获，还需要协调地将碳通量重新分配到所需的代谢库。在过程层面，通过添加外源性CA增加光生物反应器中的DIC浓度已被证明可以间接激活CCM。此外，将CCM工程与附着生长系统、先进反应器设计和增强的气液传质策略相结合，可以显著提高整体碳捕集效率。

3.5.4. 生态工程与混合系统集成

CCM工程的目标正在从单纯增强光合固碳扩展到高价值产品合成和碳资源利用。一种新兴方法涉及微藻与选定的微生物伙伴共培养。在循环生物经济框架内，将CCM工程的微藻系统与烟气处理、废水营养物回收和废物价值化相结合，可以实现同步的碳封存和经济价值产生。最近的趋势还包括整合实时传感器和基于人工智能的控制系统，以动态优化光强、通气和营养供应。

4. 微藻中碳酸酐酶的功能多样性与调控

4.1. 碳酸酐酶作为CCM功能的核心催化节点

碳酸酐酶（CAs）是微藻碳浓缩机制（CCM）的核心酶组分，催化CO₂和HCO₃^?之间的快速可逆互变。通过此反应，CAs作为关键的生物化学枢纽，将外部无机碳获取与向Rubisco羧化位点的CO₂输送联系起来。CAs在微藻中普遍存在，其在CCM中的功能多样性由其系统发育类别、亚细胞定位、金属辅因子依赖性和调控控制决定。

4.2. 微藻中碳酸酐酶类别的多样性与进化

微藻拥有显著多样的CA同工型，分布在多个细胞区室。已鉴定出八个主要CA类别：α、β、γ、δ、ζ、η、θ和ι。这些类别在结构组织、系统发育分布、金属依赖性和催化特性上各不相同。重要的是，这些类别尽管催化相同的反应，但在进化上不相关，代表了趋同酶进化的显著例子。它们的多样化似乎与生态压力密切相关。

4.3. CA同工型的亚细胞定位与功能分区

单个CA同工型对CCM的功能贡献关键取决于其精确的亚细胞定位。不同的CA同工型靶向细胞外表面、细胞质、叶绿体被膜、类囊体腔、蛋白核或羧酶体，在那里执行无机碳转化和空间CO₂输送的非冗余角色。在具有复杂质体的藻类中，包括硅藻，多层膜和额外的质体外周区室施加了额外的空间限制，需要精细调节的CA分区。

4.4. CA表达与活性的环境及细胞调控

在微藻中，CAs的表达和催化活性受到多种环境和细胞因素的严格调控。CAs基因表达对周围CO₂水平高度敏感。在空气水平CO₂或更低条件下，广泛观察到多种微藻类群中多个CA基因的快速且显著上调。相反，升高的CO₂浓度通常会抑制CA表达。光可用性强烈调节CO₂依赖的CA表达。细胞氧化还原状态和昼夜节律进一步促进了CA的调控。海洋酸化和减少的DIC广泛影响CA及其他CCM相关基因。CA催化活性关键依赖于金属辅因子。Zn²⁺是大多数CA类别的主要催化金属。酶性能还受到pH和温度范围的影响。除了转录控制，翻译后修饰如磷酸化和氧化还原调控提供了对CA活性和定位的快速可逆调节。

4.5. 用于增强碳捕集和微藻生产力的CA工程与应用

微藻固碳代表了一种有前景的减缓气候变化的生物技术策略，碳酸酐酶已成为增强生物CO₂封存效率的关键目标。以CA为中心的应用主要有两种情况：改善低CO₂自然环境下的碳同化，以及通过CCM强化来增强工业CO₂捕获和转化。高性能CA变体的鉴定和部署为此类策略提供了基础。然而，有效的部署需要定量平衡。过度的CA表达或补充可能会耗散细胞内无机碳梯度并降低净固定效率。因此，CA工程必须考虑空间组织、转运蛋白协调和代谢整合。

5. Rubisco的功能与调控

5.1. Rubisco作为生物固碳的催化守门员

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）是卡尔文-本森-巴沙姆（CBB）循环中唯一直接催化生物CO₂固定的酶。尽管其固有的羧化周转率低，且存在启动光呼吸的竞争性加氧副反应，但Rubisco是地球上最丰富的蛋白质，支撑着几乎所有产氧光合生物中的碳同化。微藻构成了一个主要的全球碳汇。全球净初级生产力（NPP）约120 Pg C·yr^?1，其中约50%来自海洋系统，那里的固碳几乎完全由浮游植物Rubisco催化。

5.2. 由内共生和CCM耦合塑造的微藻Rubisco多样性

基于序列、结构和功能，Rubisco超家族被分为四种主要形式（I-IV型）。微藻保存了Rubisco进化的“活化石”。绿型Rubisco（IB型）代表了一个古老的蓝细菌谱系，具有中等的CO₂/O₂特异性（S_C/O）；红型Rubisco（ID型）通过二次内共生优化，表现出最高的S_C/O值，是现代海洋碳汇的基础。蓝细菌Rubisco主要是I型。绿谱系真核微藻主要拥有来自初级蓝细菌内共生的IB型Rubisco。在这些生物中，Rubisco与固有无序多价连接蛋白EPYC1相互作用，形成可逆网络，经历液-液相分离（LLPS），在叶绿体基质中生成富含Rubisco的蛋白核基质。红谱系真核微藻主要使用ID型Rubisco，构成了现代海洋碳汇的核心。与IB型相比，红型Rubisco通常表现出更高的CO₂/O₂特异性和优越的催化效率。少数甲藻和早期分化的真核藻类保留了II型Rubisco，其S_C/O非常低。总之，微藻Rubisco功能与CCM背景密不可分。

5.3. 微藻中Rubisco表达与催化活性的调控

Rubisco是光合微藻中碳同化的中央限速酶。其细胞丰度和有效催化能力具有高度可塑性，并受到环境信号和细胞代谢状态的多层次调控。无机碳可用性代表了Rubisco表达最强的调控信号。在CO₂/HCO₃^?限制下，微藻迅速激活碳浓缩机制（CCM），并伴随着rbcL/rbcS转录的显著上调。相反，升高的外部CO₂通常会抑制Rubisco表达。光强和光谱质量通过调节碳需求间接调控Rubisco表达。作为光合细胞中最大的氮库之一，Rubisco的合成和周转对氮供应高度敏感。在多种微藻和蓝细菌中的转录组学和蛋白质组学研究揭示了Rubisco丰度及其相关网络存在显著的昼夜振荡。生长温度进一步影响Rubisco小亚基同工型的组成和相对丰度。各种非生物胁迫也影响Rubisco的表达和活性。体内Rubisco羧化效率不仅取决于酶丰度，还取决于底物可用性（CCM性能）、通过Rubisco活化酶（RCA）维持的活化状态以及环境温度。Rubisco活化酶（RCA）通过ATP驱动的构象重塑去除抑制剂（如RuBP和CA1P）来维持酶可用性。底物可用性是实际羧化速率的主要决定因素。

5.4. 微藻中Rubisco介导的固碳工程策略

实际上，Rubisco固有的低羧化效率、高氮需求和对环境波动的敏感性仍然是规模化应用的主要瓶颈。因此，Rubisco工程已从单一酶优化转向多尺度、应用驱动的框架，涵盖酶动力学、表达调控、活化维持、空间组织以及与替代固碳途径的整合。