环境生物学课件 CO2固定

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二氧化碳固定的概念、方式、生理意义

二氧化碳固定的概念、方式、生理意义二氧化碳固定是指将大气中的二氧化碳（CO2）通过化学或生物过程转化为固态物质储存起来，以减少二氧化碳在大气中的积累，从而降低温室效应和全球气候变化的影响。

二氧化碳固定可以通过化学和生物两种方式进行。

化学方法包括碳酸化反应、工业石化过程等。

生物方法则通过植物、微生物等生物体的参与来进行二氧化碳的固定。

下面将分别介绍这两种固定方式的具体内容。

一、化学方法1.碳酸化反应这是将二氧化碳与金属氢氧化物或金属碱泥反应，生成碳酸盐的过程。

碳酸化反应可通过工业空气污染物排放进行，产生的碳酸盐可以用于建筑材料等方面，从而实现二氧化碳的固定。

2.工业石化过程工业石化过程中常常产生大量的二氧化碳，通过石油、化工、电力等行业的二氧化碳处理装置，可以将二氧化碳捕获并固定。

这些二氧化碳可以进一步利用，如用于培养微藻、合成化学品等。

二、生物方法1.植物光合作用植物通过光合作用将二氧化碳转化为有机物质，如葡萄糖、淀粉等，同时释放出氧气。

植物可将固定的二氧化碳储存于植物体内，如根、茎、叶等部位。

此外，植物固定的二氧化碳还可以通过植物垂直生长、土壤碳储存等方式储存，对减缓温室效应和气候变化具有重要意义。

2.微生物生物固定一些微生物具有将二氧化碳转化为有机物的能力，如蓝细菌、硅藻等。

蓝细菌通过光合作用将二氧化碳转化为有机物，同时释放氧气，可用于生产生物能源和高值化合物；硅藻通过光合作用固定二氧化碳，将其转化为有机物并储存在硅藻体内，可用于制备建筑材料、药物等。

这些微生物固定二氧化碳的过程也对环境改善和气候调节有一定的贡献。

二氧化碳固定的生理意义主要体现在以下几个方面：1.减缓温室效应温室效应是指大气中温室气体增加导致地球表面气温上升的现象。

二氧化碳是最主要的温室气体之一，增加二氧化碳的固定可以减少其在大气中的积累，降低温室效应的程度。

2.缓解全球气候变化全球气候变化是由于温室气体排放引起的大气中气候系统的变化。

论述二氧化碳的固定技术

二氧化碳（CO2）是人类活动（如燃烧石油、煤炭和天然气等）产生的主要温室气体之一，也是导致全球变暖的主要原因之一。

因此，固定二氧化碳的技术受到越来越多的关注。

二氧化碳固定技术的原理是将二氧化碳从大气中分离出来，通过化学或生物反应将其转化为固态或液态，从而减少二氧化碳的排放量。

常用的二氧化碳固定技术有如下几种：
1 化学吸收法：通过化学反应将二氧化碳与吸收剂反应，使二氧化
碳转化为固态或液态，从而将二氧化碳从大气中固定起来。

2 生物吸收法：通过生物反应将二氧化碳与生物体（如植物、微生
物等）反应，使二氧化碳被生物体吸收并转化为生物质，从而将二氧化碳从大气中固定起来。

生物吸收法包括植物固定法和微生物固定法。

3 注射法：将二氧化碳注射到地下岩石层或地下水中，使二氧化碳
与岩石或水反应并被固定。

4 碳捕集与封存技术：通过碳捕集器将二氧化碳从工业废气或电厂
废气中捕集出来，然后将二氧化碳封存在地下岩石层或地下水中。

通过上述方法，可以有效固定二氧化碳，减少二氧化碳的排放量，从而减缓全球变暖的进程。

二氧化碳的高值有效封存利用课件

二氧化碳的高值有效封存利用课件
目录
• 二氧化碳封存利用的背景与意义 • 二氧化碳捕获与运输技术 • 二氧化碳地质封存技术 • 二氧化碳的工业应用 • 二氧化碳高值化利用技术 • 二氧化碳封存利用的挑战与前景 • 案例研究
01
二氧化碳封存利用的背景与意义
全球气候变化与二氧化碳排放
全球气候变暖
由于大量排放二氧化碳等温室气体，导致全球气候变暖，引发极端天气、海平面上升、生物多样性减少等问题。
二氧化碳排放
人类活动，特别是燃烧化石燃料和森林砍伐，是二氧化碳排放的主要来源。减少二氧化碳排放是应对气候变化的关键。
二氧化碳封存利用的必要性
减缓气候变化
通过减少大气中的二氧化碳浓度，可以减缓全球气候变暖的速度，降低极端天气事件的频率和强度。
创造经济机会
二氧化碳封存利用技术的发展和应用，可以带动相关产业的发展，创造就业机会和经济价值。
02
二氧化碳捕获与运输技术
二氧化碳捕获技术
01
02
03
04
二氧化碳捕获技术
利用化学反应、吸附剂或膜分离等方法，从排放源中捕获二
氧化碳的过程。
燃烧后捕获
在燃烧后烟气中捕获二氧化碳，通常采用化学吸收或物理吸
中国石油长庆油田CCUS项目
该项目将二氧化碳注入油气藏，提高油气采收率，同时实现二氧化碳的长期封存。该项目为我国石油行业提供了二氧化碳封存利用的实践经验。
创新技术与应用案例
碳捕获和储存技术
该技术通过捕获燃烧过程中产生的二氧化碳，将其压缩并注入地下岩层，实现二氧化碳的安全封存。该技术是当前二氧化碳减排领域的重要研究方向之一。
碳捕获和利用技术
该技术将捕获的二氧化碳用于生产高附加值的产品，如尿素、甲醇等，实现二氧化碳的高值有效利用。该技术为二氧化碳减排和资源化利用提供了新的思路。

二氧化碳对生活和环境的影响PPT课件

三、二氧化碳对人体健康的影响
二氧化碳本身没有毒性，但当空气中的二氧化碳超过正常含量时，对人体会产生有害的影响。所以在人群密集的地方，应注意通风换气。在进入一些可能会含有二氧化碳气体的地方之前，应该检验那里的二氧化碳的含量，看是否会威胁到人的健康。
三、二氧化碳对人体健康的影响
空气中二氧化碳的体积分数 / %
二、自然界中的碳循环和氧循环
1、氧循环
①生物圈中氧气的来源绿色植物通过光合作用将水中的氧元素转化成氧气，释放到大气中。
②生物圈中氧气的消耗生物的呼吸作用与生物圈中的各种燃烧现象都会消耗氧气。
二、自然界中的碳循环和氧循环
1、碳循环
①生物圈中二氧化碳的产生 a、生物的呼吸作用：包括动植物的呼吸和微生物对动植物遗体及粪便中有机物的分解。地球上的二氧化碳有 90%是由微生物的生命活动产生的； b、化石燃料及其制品的燃烧与火山爆发。 ②生物圈中二氧化碳的消耗 a、绿色植物的光合作用； b、海洋中碳酸钙沉积形成新的岩石，从而使一部分碳元素较长时间贮藏在地层中； c、少数二氧化碳溶解在水中。
温室效应的应对策略
低碳生活：即低二氧化碳排放。
1、节约用电； 2、少开汽车，多乘坐公共交通工具； 3、保护森林、不乱砍滥伐、植树造林、
减少使用一次性木筷、节约纸张； 4、全面禁用氟氯碳化物； 5、改善能源使用效率； 6、鼓励使用太阳能； 7、开发替代能源 ······
低碳生活与生态环境保护
对人体健康的影响
1
使人感到气闷、头昏、心悸
4～5
使人感到感到气喘、头痛、眩晕
10
使人神志不清、呼吸停止，以致死亡
四、二氧化碳对环境的影响
温室效应
大气中的二氧化碳像温室玻璃一样，阳光能很好地穿过它到达大地使地面温度升高，而地面的反射却很少能穿透这层二氧化碳，所以它对地球起着保温作用，这种作用称为温室效应。除此以外，甲烷、臭氧以及氟氯代烷等气体也是温室气体，具有和二氧化碳相同的作用。

环境生物学PPT精品课件

水生态系统保护与恢复通过治理水污染、恢复水生植被等措施，保护和恢复水生态系统。
加强水资源管理和保护，合理利用水资源。
生态环境保护与恢复的实践案例
农业生态系统保护与恢复推广生态农业和有机农业，减少化肥和农药的使用。
加强农田水土保持和土壤改良，提高土壤肥力。
06
环境生物学实验技术与方法
环境生物学实验设计原则与方法
导致生物中毒
当生物体摄入含有大量有毒物质的水时，会出现中毒症状，甚至导致死亡。
土壤污染对生物的影响
影响植物生长
01
土壤污染中的有害物质会对植物的生长产生不良影响，如抑制
植物生长、降低植物产量和品质等。
破坏土壤生态系统
02
土壤污染会破坏土壤中的生态系统平衡，导致土壤生物多样性
减少，土壤功能退化。
环境生物学常用实验技术与方法
• 生态环境因子观测：对样地的气候、土壤、水文等生态环境因子进行定期观测和记录。
环境生物学常用实验技术与方法
环境因子模拟
通过实验室设备模拟不同环境条件，研究生物对环境变化的响应。
生物生理生化指标测定
测定生物的生理生化指标，如酶活性、代谢产物等，以评估生物对环境变化的适应性。
发展历程
环境生物学起源于20世纪初的生态学研究，随着环境问题的日益严重和人类对生态环境的关注加深，环境生物学逐渐发展成为一个独立的学科领域。
环境生物学的研究对象与任务
研究对象
环境生物学的研究对象包括个体、种群、群落和生态系统等多个层次，涉及植物、动物、微生物等各类生物。
研究任务
揭示生物与环境之间的相互作用机制，探讨生物适应环境的策略以及环境变化对生物多样性的影响，为环境保护和生态修复提供科学依据。

co2固定化的途径

co2固定化的途径
二氧化碳（CO2）是一种主要的温室气体，它对全球气候变化造成了巨大的影响。

因此，寻找CO2固定化的途径是非常重要的。

下面将介绍CO2固定化的几种途径。

1. 植物光合作用
植物通过光合作用将CO2转化为有机物质，并释放出氧气。

这是一种自然的CO2固定化途径。

人们可以通过增加植被覆盖率和种植树木来促进这个过程，从而减少大气中CO2含量。

2. 碳酸盐矿化
碳酸盐矿物可以与CO2反应形成稳定的碳酸盐，并将其储存在地下或海底。

这种方法需要大量的能源和资金投入，并且需要找到合适的储存地点。

3. 化学吸收
化学吸收是指利用吸收剂将CO2从燃料燃烧过程中分离出来，并将其转换为其他有用的产物。

例如，利用二乙醇胺等吸收剂可以将CO2转
化为甲酸、尿素等有机产物。

4. 生物质固碳
生物质可以通过碳固定化来减少CO2排放。

例如，将生物质转化为炭或生产木材制品等，可以将其长期储存并避免其释放到大气中。

5. 直接空气捕集
直接空气捕集是指利用特殊设备从大气中捕集CO2，并将其储存或利用。

这种方法需要大量的能源和资金投入，并且技术还不够成熟。

总之，CO2固定化是一项非常重要的任务，需要各方面共同努力。

未来，我们可以通过多种途径来实现CO2的固定化，从而减缓全球气候变化的影响。

生物素辅酶二氧化碳固定

生物素辅酶二氧化碳固定
生物素是一种重要的辅酶，参与了多种生物化学反应，其中包括二氧化碳固定。

二氧化碳固定是指将大气中的二氧化碳转化为有机物质的过程，它是光合作用中的关键步骤，也是生物体合成有机化合物的重要途径。

在光合作用的碳循环中，二氧化碳固定发生在光合菌和植物的叶绿体中的Calvin循环中。

生物素在Calvin循环中发挥了重要的作用。

具体来说，生物素作为辅酶结合于酶RuBisCO（核酮糖1,5-双磷酸羧化酶），帮助催化二氧化碳的反应。

二氧化碳在RuBisCO的作用下与五碳糖（RuBP，核酮糖1,5-双磷酸）发生反应，形成两个分子的3-磷酸甘酸（3-PGA）。

这是Calvin循环的起始步骤，随后3-PGA被进一步转化为其他有机化合物，最终形成葡萄糖等高能有机物。

通过辅酶生物素的参与，二氧化碳固定过程可以高效地进行，促进光合作用的进行以及生物体对二氧化碳的利用。

因此，生物素在二氧化碳固定中扮演着重要的角色。

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2. CO2固定及其资源化技术 2.2 化学法
● 化学法有矿石碳化、吸收法、化学合成等 (1) 矿石碳化：是利用CO2与金属氧化物发生反应生成稳定的碳酸盐从而将CO2永久性地固化起来。 (2) 吸收法：则主要采用碱性溶液对CO2进行溶解分离。然后通过脱析分解分离出 CO2气体同时对溶剂进行再生，典型的化学吸收溶剂主要是K2CO3水溶剂（再加少部分胺盐或钒、砷的氧化物）和乙醇胺类水溶液（如 MEA、DEA和MDEA等）。 (3) 化学合成：包括合成环状碳酸酯、碳酸二甲酯(DMC)、环状尿素和环状尿烷。 CO2加入到环氧化物中合成环状碳酸酯已经工业化，但催化剂的研制工作仍在继续。
2. CO2固定及其资源化技术 2.3 生物法 ● 生物法固定CO2主要靠植物和微生物的作用。 ● 绿色植物光合作用是地球上最为普遍、规模最大的反应过程，在有机物合成、保持碳循环的稳定等方面起很大作用。根据高等植物光合作用碳同化途径的不同，可将植物划分成为C3植物、C4植物、C3－C4中间植物等。 ● 微生物固碳的环境适应性高于植物。固碳效率是植物的5－10倍。
图1.1 全球人为温室气体排放
1. CO2与全球重大环境问题 1.1 CO2排放量不断增长
海洋酸化
工业化前的稳态全球C循环
1. CO2与全球重大环境问题
1.2 CO2引发的全球温室效应及其次生问题
莫纳罗亚（红色曲线）和南极（黑色曲线）观测到的大气CO2浓度
模式仅考虑自然强迫的模拟结果；
模式同时考虑自然和人为强迫的模拟结果；
CO2 Autotrophic Microorganisms
1
Organics
2
3
Cellular components
Exopolysaccharide Heterotrophic Microorganisms
4
Organics
5
Cellular components
3. 微生物固碳及其资源化技术
化能
硫化细菌
铁细菌锰细菌一氧化碳细菌甲烷菌醋酸菌
厌氧
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2 微生物固定CO2主要途径 ● 自养微生物通过生物氧化（包括氧化磷酸化、光合磷酸化和发酵）获取能量用于CO2的固定并以此作为自身生长繁殖的碳源。 ● 至今了解的微生物固定CO2途径主要有5条，即Calvin 循环途径、厌氧乙酰－CoA途径、逆向TCA循环、3-羟基丙酸/苹果酰-CoA循环(3-羟基丙酸/4-羟基丁酸酯循环)、和甘氨酸途径，分布在不同种属的微生物中。 ● 卡尔文循环是植物最主要的固碳途径，植物能利用其合成淀粉等产物。大致可分为三个阶段，即羧化阶段、还原阶段和再生阶段。而卡尔文循环也是微生物固定 CO2的重要途径。
● 影响生物固碳效率的主要因素为固碳途径及其关键酶的活性以及CO2固定过程中所需能量的有效供给
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.1 固定CO2微生物种类
表3.1
碳源能源光能
固定CO2的微生物种类
好氧／厌氧好氧厌氧微生物藻类蓝细菌光合细菌硝化细菌氢-氧化细菌
二氧化碳
好氧
好氧及厌氧条件下驯化
3. 微生物固碳及其资源化技术 (5) 非光合固碳微生物的工艺优化
不同电子供体的影响
30 25
总有机碳(mg/L)
20 15 10 5 0 空白亚硝酸钠氯化铵硫代硫酸钠硫化钠氢气沉积物样海水样
图2.3 好氧状况下培养4 d菌群TOC值(空白加硫酸铵）
3. 微生物固碳及其资源化技术（6）非光合固碳微生物菌群的结构
(3) 海洋封存：利用目前CO2的海洋封存主要有2种方案：一种是通过船或管道将CO2输送到封存地点，并注入1000 m以上深度的海中，使其自然溶解；另一种是将CO2注入 3000 m以上深度的海里，由于CO2的密度大于海水，因此会在海底形成固态的 CO2水化物或液态的CO2湖，从而大大延缓了CO2分解到环境中的过程。 (4) 液体吸收：通过改变CO2与吸收液之间的压力和温度可以达到吸收CO2的目的。常用的吸收液有丙烯酸酯、甲醇、乙醇、聚乙二醇等高沸点有机溶剂，其吸附能力取决于操作温度和压力，气体的分压越高或温度越低，系统的吸收能力就越强。
环境中的微生物固碳可能是多种微生物的多个固碳途径的共同作用
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.3 微生物固定CO2的应用研究藻类
经济价值较高产微藻能源
氢－氧化细菌
生长速率快环境适应性强
需光照培养不耐高CO2浓度
但培养中需要通入氢气
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.4 微生物固碳技术的发展趋势 ●筛选在普通环境下高效固碳的微生物 ●开发高效的生物反应器
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2.3 羟基丙酸途径
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2.4 厌氧乙酰－CoA途径
*图中THF为四氢叶酸
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2.5 甘氨酸途径
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2.6 不同微生物固定CO2主要途径
1. 2. 3. 4. 5. Calvin循环逆向TCA循环厌氧乙酰-CoA途径和甘氨酸途径 3-羟基丙酸/苹果酰-CoA循环 3-羟基丙酸/4-羟基丁酸酯循环
98
98 99 97 90 100 96 99 98 99 98 98 99 97 99
加入不同电子供体的DGGE分析
14-7 15-2 16-7
3. 微生物固碳及其资源化技术
优势菌的系统发育树
3. 微生物固碳及其资源化技术
（7）混合固碳微生物的优势
不同电子供体的菌群结构（a 来源于海水；b 来源于土壤； c 相似性）混合微生物形成一个二氧化碳同化系统，微生物间可能产生共生效应（能量代谢与合成代谢的协同）
观测结果
图1.2 全球和大陆温度变化
1. CO2与全球重大问题
1.2 CO2引发的全球温室效应及其次生问题
土壤荒漠化
海平面上升
灾害天气频发
生物多样性减少
2. CO2固定及其资存方法主要有物理法、化学法和生物法
2. CO2固定及其资源化技术 2.1 物理法
不同筛选地的DGGE图谱
3. 微生物固碳及其资源化技术
DGGE条带的序列比对结果
割胶条带 1-3 序列长度／bp 189 GenBank数据库中最相似菌种名称（序列号） Uncultured bacterium clone(EU509144) 相似度／% 96
2-4
3-10 4-1 5-2 6-5 7-5 8-3 9-3 10-5 11-3 12-1 13-5
高性能封闭式及敞开式光生物反应器开发
能源微藻异养培养技术
高性能装备研发
高效率固碳及高油脂产率的能源微藻光自养培养非光合固碳微生物低成本高效采收
能源微藻低成本高效采收
低碳化土壤改良剂制备
生物柴油制备工艺优化
藻渣制备饲料的工艺优化
（9）微藻/非光合微生物耦合固碳及其资源化技术方案
●基因工程菌（关键酶）
●高效电子供体的研究与开发
●耦合固碳工艺
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.5 不用供氢与光照的固碳微生物
(1) 研究目的： • 处理工业废气 (10％~20％CO2) • 土壤改良 (2) 研究意义：不仅可以起到减排工业CO2的目的，同时可实现农业CO2的减排（土壤中二次固碳），是解决土壤荒漠化的可能途径。
3. 微生物固碳及其资源化技术
(3) 非光合固碳微生物的选育
样品来源：黄海、东海、南海、南极海域的海水和沉积物（南极样品由极地所南极考察队提供)。
非光合固碳微生物
3. 微生物固碳及其资源化技术
(4) 非光合固碳微生物的驯化
微生物驯化后固碳能力增长量
驯化时间驯化6个月
好氧约50％
厌氧 37％
● 物理法有冷却分离、地质封存、海洋封存和吸收液吸收等等
(1) 冷却分离：利用CO2具有在31℃、7.39 MPa下液化的特点，对烟气进行多级压缩和冷却可使CO2液化得以分离。
(2) 地质封存：是直接将CO2注入地下的地质构造当中，如油田、天然气储层、含盐地层和不可采煤层等都适合CO2的储存。与地质封存关联的另一种处理方式是CO2的再利用。即将CO2注入正接近枯竭的油田以提高石油采收。
B K1 C
E
F K2
G
H
I A J1 D J2
E
F
G
T
H B C
D A
THE END
（8）混合电子供体间交互作用
多种电子供体间存在交互作用（促进或者相互抑制）某一混合电子供体的固碳效率远高于三种单一电子供体固碳效率的加合（能量的供应效率和有效性）
3. 微生物固碳及其资源化技术
工业尾气CO2
综合过程控制技术高效混合电子供体高传质低能耗的生物反应器开发
非光合固碳微生物的高密度培养
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2.1 Calvin循环
*图中①为核酮糖二磷酸羧化酶；②为磷酸核酮糖激酶
Calvin循环的总式为： 6CO2 + 12NAD(P)H2 +18ATP → C6H12O6 + 12NAD(P) +18ADP+18Pi
3. 微生物固碳及其资源化技术 3.2.2 逆向TCA循环
微生物固碳及其在CO2吸收与资源化中的应用
Application of Carbon Fixation Micro-organisms in Absorption and Resources of CO2
1 2 3
CO2与重大环境问题
CO2固定及其资源化技术微生物固碳原理及其应用