酶法CO2捕获技术是最接近于光合作用的碳中和手段，近年来展现出极大的发展的潜在能力。为降低酶成本，将酶固定在基材上以实现其循环利用至关重要，但严重的固（固定化酶）-气（CO2）传质障碍导致催化效率很低。研究者通过降低基材尺寸以提升传质效率，但会造成小尺寸“易传质”与“难回收”的矛盾。在银币水母捕食机制的启发下，陕西科技大学生物质与功能材料研究所朱兴、杜晨曦与纤维新材料及废弃物资源化利用团队贺斌等人合作，以轻质透明且大尺寸的低密度聚乙烯薄膜（LDPE）作为水母“伞状体”，以超柔的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯/ε-聚赖氨酸分子链做为“触手”，将“刺细胞”CA镶嵌在触手上，设计了一种大尺寸仿生水母-碳酸酐酶复合体（Bj-CA）用于高效碳捕获。通过对“触手”长度和密度的优化，最大限度的提升触手柔性，以赋予触手上CA最大程度的灵活位移能力，进而最大限度地降低了大尺寸体系的传质障碍。该项工作对于开发工业级大尺寸酶法碳捕集成器件具备极其重大意义。

  光合作用背后的核心是多种酶的级联催化反应。随着光合作用机理研究的逐步深入以及人工设计改造酶分子能力的逐渐增强，以酶工程为依托开发高效的CO2生物捕获新方法是最接近光合作用的人工固碳途径。碳酸酐酶（CA）能加速CO2的水合作用，将其固定化能加强酶分子的稳定性并可重复使用减少相关成本，为CA酶的工业化应用带来更多可能。CA固定化基材已由传统的壳聚糖、生物硅、水凝胶进阶为功能高度可控的金属有机骨架（MOFs）、静电纺丝纳米纤维及共价有机骨架（COFs）等，这些材料通常具备优异的比表面积及孔隙结构，能够为CA的附着提供适宜的微环境并增强CA结构的稳定性。然而，到目前为止，多数CA固定化策略都存在比较大程度的酶活性损失。这是由于游离CA作为纳米微粒均匀分散在液相环境中，其微观剧烈运动和无序运动会在周围的液体中引起扰动并形成局部微对流，不停地对气液界面进行无数次撞击产生额外的质量传质，从而增强CA与CO2的接触面积进而增强捕获效率。而由于基材的存在，固定化CA失去了灵活传质能力，因此只能原位等待CO2气泡的附着，这将使CA的催化效率大打折扣。面对这一问题，一些研究人员通过缩小基材尺寸（如纳米微球、MOF、聚合物簇等）来提升固定化CA的传质效率。即利用微尺寸载体在液相环境中优异的布朗运动状态赋予固定化CA灵活位移能力，进而增强其传质效率。然而，在实际的工业应用中，纳米微球、MOF等小尺寸基材的生产所带来的成本较高，且由于尺寸问题，实现微尺寸体系的回收再利用十分困难，这将使固定化CA的操作稳定性大打折扣。由此可见，怎么样才能解决“易传质”与“难回收”之间的矛盾仍然充满挑战。

  银币水母主要由轻质透明的伞状体和分布在伞状体下方长长的触手构成，依靠柔性触手的摆动使其具备极高的捕食效率。受此启发，本研究制备了一种低成本、易回收且具备高传质特性的仿生水母-碳酸酐酶复合体（Bj-CA）。如Figure 1（a）所示，银币水母身体结构中轻质柔软的“伞状体”使其能够在海洋中漂移。分布在“伞状体”下方长长的触须及触须上的刺细胞构成了银币水母的主要捕食器官。依靠伞状体的漂移及触须的摆动，刺细胞可以高效捕食一些范围内的浮游生物。受这一过程的启发，本研究设想将“刺细胞”CA通过柔性“触手”PGMA/ε-PLL固定在轻质柔软的低密度聚乙烯“伞状体”LDPE上，利用LDPE在水中的漂移以及柔性“触手”的摆动使CA以高效的方式捕获底物CO2。

  通过设计单因素实验，探究了传质特性对Bj-CA催化性能的影响（Figure 2（a-b）），并通过颗粒排除实验表征了触手的柔性传质特性（Figure 2（c-d））。

  为探究经优化后的Bj-CA对CO2的实际捕获效率，该研究通过Figure 3（a）所示装置对游离CA与Bj-CA对CO2的捕获性能进行了测定。如Figure 3（b）所示，Bj-CA对CO2的捕获效率能达到Free CA的83%，且均远高于空白组的吸收速率。这对于固定化CA的实际工业应用具备极其重大意义。

  通过对循环稳定性进行探究，该研究之后发现经过15次的循环利用，Bj-CA仍旧能保留59.23%的酶活性(Figure 3(c))。与已有的通过缩小基材尺寸来增强传质的策略相比，分离便捷性与操作稳定性有了显著提升。这表明该仿生策略为解决已有传质增强策略中不能兼顾高传质特性与高回收率的问题提供了建设性的方案。此外，Bj-CA以LDPE为基材，其低成本与高循环特性能够大幅度的降低CA的应用成本，这些都赋予了该体系广阔的工业应用前景。

  朱兴，陕西科技大学轻工科学与工程学院副教授，博士，硕士生导师。陕西科技大学“青年拔尖人才”。主要是做生物质高值化利用、生物催化与转化等领域的研究。以第一作者/通讯作者在Green Chem.、Chem. Eng. J.、J. Hazard. Mater.、ChemSusChem等国际期刊发表高水平论文30余篇，授权发明专利10余项。主持国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省教育厅重点项目等。

  杜晨曦，现就读于陕西科技大学轻工科学与工程学院，硕士研究生，主要是做酶法碳捕获研究。

  贺斌，陕西科技大学轻工科学与工程学院硕士生导师，陕西省青年人才托举计划入选者。2018年获北京化工大学博士学位。在Green Chem.、Carbohyd. Polym.等国际知名期刊发表论文二十余篇，主持国家自然科学基金、陕西省重点研发计划等项目。主要是做聚合物表面改性、生物分子固定化等领域的研究。

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