分散胺化介孔硅胶上固定化的嗜热碳酸酐酶催化的二氧化碳加速吸收

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Accelerated Uptake of CO2 Catalyzed by Immobilized Thermophilic Carbonic Anhydrase on Dispersed Aminated Mesoporous Silica

高效且耐用的生物催化剂对可持续二氧化碳捕获技术至关重要，但酶的热稳定性常限制其实际应用。本研究通过吸附热稳定性嗜热菌碳ic酸酶（pmCA）和牛红细胞碳ic酸酶（bCA）于胺化SBA-15纳米材料，验证吸附诱导的热稳定假说。实验表明，吸附后pmCA和bCA在40-65°C下可稳定存活14天，90°C下存活4天，而自由酶在4天内完全失活。XRD和NMR分析显示，吸附过程未破坏材料结构且未发生胺基泄漏，IR光谱证实吸附酶显著加速HCO3^-生成。最大吸附容量分别为1.4 g pmCA·g-材料?1和2.1 g bCA·g-材料?1，且无解吸现象。该研究为开发基于酶吸附的工业级CO2捕获系统提供了理论依据。

　　在当前全球范围内，减少二氧化碳排放已成为应对气候变化的关键挑战之一。碳捕集与封存（CCS）技术，尤其是生物炭捕集技术，因其环境友好性和高效性而受到广泛关注。然而，酶在实际应用中往往面临稳定性不足的问题，特别是在高温、高压等工业过程中。本文探讨了将碳酸酐酶（CA）吸附于氨基化介孔SBA-15材料上，以提高其在CO?捕集过程中的热稳定性和催化活性。通过实验分析，研究者发现这种吸附方式显著增强了酶的耐热能力，使其在极端条件下仍能保持较高的活性，从而为可持续的CO?捕集技术提供了新的思路。

碳酸酐酶是一类能够催化CO?水合反应的金属酶，其催化效率极高，甚至可以达到每秒百万次的反应速率。这使得CA在工业CO?捕集过程中具有替代传统无机催化剂（如硼酸、砷酸盐等）的潜力。然而，传统催化剂虽然催化效率高，但往往在实际应用中存在稳定性差、成本高以及环境友好性不足等问题。相比之下，CA作为生物催化剂，不仅具有较高的催化效率，还具备可降解性，能够减少对环境的长期影响。然而，CA在高温下容易发生变性，从而导致催化活性的丧失。因此，如何在不破坏其结构的前提下，提高CA在高温环境下的稳定性，成为研究的重点。

研究团队选择了两种碳酸酐酶：一种是来自嗜热细菌*Persephonella marina*的pmCA，另一种是商业化的牛红细胞来源的bCA。这两种酶分别被吸附在氨基化介孔SBA-15材料上，以评估其在CO?捕集过程中的热稳定性。SBA-15是一种具有规则孔道结构的介孔硅材料，其孔道尺寸与CA的尺寸相匹配，使得CA能够有效地进入材料内部并保持活性。为了提高其热稳定性，研究者采用了一种假设：即通过吸附过程可以实现对酶的热稳定化。他们认为，吸附可以保护酶的结构，减少其在高温下因熵变导致的变性速率。

实验结果显示，pmCA和bCA在吸附于SBA-15-APTES后，其活性在40–65 °C条件下能够维持14天，而在90 °C下仍能保持4天。相比之下，游离的pmCA和bCA在4天内就完全失去了活性，这表明吸附过程显著提升了酶的热稳定性。此外，研究还发现，SBA-15-APTES材料在吸附CA后，其孔道结构并未发生明显变化，这说明吸附并未破坏材料的物理特性。然而，当SBA-15-APTES材料在90 °C下进行14天的热处理后，其XRD图谱显示孔道结构发生了完全塌陷，表明高温对材料本身存在一定的破坏作用。

为了进一步验证吸附对酶稳定性的影响，研究团队还利用红外光谱（IR）分析了CO?负载下的反应产物。结果显示，吸附了CA的SBA-15-APTES在反应过程中能够显著促进HCO??的形成，而未吸附CA的样品则主要形成铵碳酸盐离子对。这表明，CA在催化过程中能够有效加速HCO??的生成，从而提高CO?捕集的效率。此外，研究者还通过NMR光谱分析了吸附过程对胺类物质的释放影响，发现吸附过程中没有检测到胺的明显泄漏，进一步证明了吸附的稳定性。

从材料科学的角度来看，SBA-15-APTES的孔道结构和表面特性对其吸附性能具有重要影响。SBA-15具有较高的孔道厚度和聚合度，这使其在高温条件下表现出更好的热稳定性。然而，当SBA-15被氨基化后，其表面性质发生了变化，导致孔道尺寸和表面面积有所减少。这种变化虽然可能影响吸附能力，但研究者发现，即使在较低的负载量下，CA仍然能够有效吸附于SBA-15-APTES的孔道中，并保持较高的活性。因此，选择适当的负载量对于维持酶活性和避免扩散限制至关重要。

此外，研究还探讨了CA在不同温度下的反应动力学特性。通过测定p-NPA的水解速率，研究者发现pmCA和bCA在吸附状态下表现出比游离状态下更稳定的酶活性。这种现象可能与吸附过程中酶的构象变化有关。研究表明，吸附可以减少酶的熵变，使其在高温下保持更稳定的构象状态。同时，吸附还能减少酶与外界环境的直接接触，从而降低其在高温下的变性风险。

从实际应用的角度来看，这项研究为开发高效、稳定的CO?捕集技术提供了重要的理论依据。传统的CO?捕集方法通常依赖于化学吸收剂，如氨基醇胺（MEA），这些物质在高温下容易发生水解反应，导致捕集效率下降。而CA作为生物催化剂，能够在高温下保持活性，同时促进HCO??的形成，从而提高捕集效率。然而，CA在实际应用中需要面对高温、高湿等复杂条件，因此其热稳定性的提升显得尤为重要。

本研究通过实验验证了吸附CA能够显著提高其热稳定性，并在实际应用中展现出良好的催化效果。这一发现不仅为CA在工业CO?捕集中的应用提供了新的可能性，也为开发新型的生物催化剂载体材料提供了参考。此外，研究还揭示了SBA-15-APTES在高温下的结构变化及其对酶活性的影响，这有助于进一步优化材料的性能，以满足不同工业条件下的需求。

未来的研究方向包括进一步探索CA在不同温度下的非米氏动力学行为，以及研究突变体CA在吸附状态下的性能变化。同时，开发具有更高热稳定性的CA吸附材料也是重要的研究课题。此外，将吸附CA与CO?捕集液体结合，探索其在生物能源碳捕集与封存（BECCS）中的应用，也将成为后续研究的重点。通过不断优化材料和酶的相互作用，研究人员有望开发出更加高效、稳定的CO?捕集系统，为实现碳中和目标提供技术支持。