創(chuàng)新的氣候解決方案: 生物反應(yīng)器在碳減排中的作用
在社交媒體上有越來越多的趨勢,人們在他們的bios中添加了這樣的詞: “出生在xxx ppm?!钡@意味著什么呢?號碼是CO2濃度以百萬分之一 (ppm) 為單位。自工業(yè)革命以來,這一價值一直在增加。二氧化碳可以保留熱量,因此這種氣體的積累會增加溫度。從1880到1980年,地球的平均表面溫度每十年上升 0.07°C(0.13°F),1981年,這個值已經(jīng)達(dá)到每十年增加0.18°C。這種 “全球變暖” 的后果已經(jīng)可以感受到:太平洋西北地區(qū)前所未有的2021熱浪,倫敦達(dá)第一次2022年到40°C ,被稱為地球上有記錄以來最熱的月份。
CO只是碳在自然界中采取的無數(shù)形式之一。該元素出現(xiàn)在不同的化學(xué)物質(zhì)中,其循環(huán)在生物和地質(zhì)形式之間保持平衡 (碳生物地球化學(xué)循環(huán))。例如,火山爆發(fā)和野火等過程可以將這種元素作為二氧化碳釋放到大氣中。藻類,藍(lán)細(xì)菌和植物等生物將修復(fù)此CO2它們的生物量。其他微生物也可以使用化學(xué)能代替光來產(chǎn)生有機(jī)物 (化學(xué)營養(yǎng)素)。例如,由于呼吸作用,一部分有機(jī)物會再次變成二氧化碳,但是由于地質(zhì)過程,大部分有機(jī)物會被掩埋,從而重新開始循環(huán)。
但是,人類活動通過增加包括CO在內(nèi)的溫室氣體的排放來破壞這種自然循環(huán)。2。儲存在煤、石油和木材等不可再生資源中的碳由于燃燒過程釋放的能量而釋放到大氣中。在工業(yè)革命之前,大自然在平衡大氣中溫室氣體的濃度方面非常有效。工業(yè)和日常生活中對能源的需求不斷增加,導(dǎo)致使用燃燒過程來燃燒煤,汽油和木材,從而將溫室氣體排放到大氣中。其中,87% 總量是通過燃燒化石燃料產(chǎn)生的,9% 與森林砍伐和土地利用變化有關(guān),其余4% 是工業(yè)過程量。在工業(yè)革命之前,大自然在保持濃度平衡方面非常有效。
脫碳戰(zhàn)略: 利用技術(shù)和自然創(chuàng)造更綠色的未來
不同的機(jī)構(gòu),包括國家和國際立法機(jī)構(gòu),實施脫碳戰(zhàn)略,試圖阻止其積累并減緩氣候變化。脫碳是去除或減少CO2輸出到大氣中。有多種方法可以實現(xiàn)脫碳,例如,從可再生資源中生產(chǎn)甲烷,用碳?xì)浠衔餁怏w (例如甲烷或沼氣) 代替氫氣,或捕獲CO2。
最后一種方法可以從化學(xué)或地質(zhì)的角度進(jìn)行 (碳礦化),其中二氧化碳與某些堿性礦物反應(yīng)形成碳酸鹽作為產(chǎn)物。這些礦物質(zhì)可以被掩埋,積極地去除碳。
但是生物反應(yīng)器也可以用于脫碳嗎?答案很簡單: “是”。生物技術(shù)方法利用活生物體的力量來生產(chǎn)服務(wù)和商品,微生物的高度多功能性意味著它們在許多方面在脫碳中起著至關(guān)重要的作用。
生物是使用自養(yǎng)生物 (能夠從無機(jī)來源產(chǎn)生自己的有機(jī)物的生物),光合作用或化學(xué)營養(yǎng)。一些應(yīng)用涉及藻類的使用 (例如小球藻和螺旋藻) 積累固定碳作為脂質(zhì)。這些脂質(zhì)可以被加工以生產(chǎn)生物燃料。其他一些生物,尤其是基因工程生物,可以將碳重新代謝并轉(zhuǎn)化為高價值產(chǎn)品,例如異丙醇。產(chǎn)甲烷是另一種潛在的脫碳方法。甲烷生產(chǎn)是分解過程的最后一步。在這種情況下,廢物 (農(nóng)業(yè)廢物,廢水) 可以在生物反應(yīng)器中處理。復(fù)雜的有機(jī)物被微生物活動分解,產(chǎn)生較小的分子,最終轉(zhuǎn)化為氣態(tài)混合物。氣體混合物可以用作能源,避免不可再生的氣體源。這兩種方法都導(dǎo)致廢物的減少和可再生燃料的產(chǎn)生。它不依賴于化石燃料的提取和燃燒,破壞碳的生物地球化學(xué)循環(huán),而是使用已經(jīng)容易獲得的副產(chǎn)品。
目前正在開發(fā)一些其他更奇特的應(yīng)用,例如微生物燃料電池,其中諸如Geobacter或Shewanella的生物可以在電池的陽極中形成生物膜 (由微生物電池和有機(jī)基質(zhì)組成的3D生物結(jié)構(gòu))。然后可以將諸如廢水的有機(jī)廢物供應(yīng)到電池。生物活性是基本化學(xué),因此這種電池可以像傳統(tǒng)電池一樣利用這種轉(zhuǎn)換和電源電路。
“出生在xxx ppm” 這句話清楚地提醒了我們大氣成分的快速變化以及應(yīng)對氣候變化的壓力。包括CO在內(nèi)的溫室氣體濃度增加,由于天然碳生物地球化學(xué)循環(huán)的破壞而導(dǎo)致的全球變暖及其相關(guān)的環(huán)境影響。然而,創(chuàng)新的解決方案提供了一些希望,例如將生物反應(yīng)器用于脫碳策略。微生物的多功能性開辟了許多可能性: 從藻類生產(chǎn)可再生燃料到制造微生物燃料電池,這些生物技術(shù)應(yīng)用可以顯著促進(jìn)CO2的減少排放。從化石燃料向可再生資源的轉(zhuǎn)變以及副產(chǎn)品的有效利用不僅有助于平衡碳循環(huán),而且還促進(jìn)了可持續(xù)發(fā)展。
隨著我們的前進(jìn),我們必須繼續(xù)探索和投資這些技術(shù)。政府,行業(yè)和個人在促進(jìn)和采用這些創(chuàng)新方面的共同努力至關(guān)重要。應(yīng)對氣候變化已經(jīng)成為一場與時間賽跑,我們采取的每一項行動都將決定我們留給子孫后代的遺產(chǎn)。因此,“出生在xxx ppm” 不僅是對意識的呼吁,也是對全球挑戰(zhàn)的統(tǒng)一回應(yīng),鼓勵我們現(xiàn)在就采取行動,創(chuàng)造一個更美好、更可持續(xù)的未來。
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