來源：生物塑料研究院 2025-10-14 14:45:23
面對全球氣候變暖與海洋生態失衡的雙重挑戰，將海洋中巨量的二氧化碳“變廢為寶”已成為科技界迫切的課題。10月6日，一項發表于國際知名學術期刊《自然·催化》的研究成果，為這一愿景帶來了突破性進展。這項成果由中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室、合成生物學研究所高翔團隊聯合電子科技大學夏川團隊提出并驗證，是一種基于“電催化+生物催化”耦合策略的“人工海洋碳循環系統”。該系統可捕集天然海水中的二氧化碳，并轉化為可直接進入生物制造的中間體，再進一步升級為多類高價值化學品與材料。
海洋作為地球最大的天然“碳庫”，每年吸收著超四分之一的人為排放二氧化碳，在減緩全球變暖的同時，也引發了嚴重的海洋酸化問題。如何將已溶入海水的碳轉化為可利用資源，是實現“藍色經濟”與國家“雙碳”目標必須破解的共同命題。
該項研究的關鍵創新在于采用“電催化+生物催化”的協同耦合策略。電子科技大學夏川團隊率先攻克了海水碳捕集的技術瓶頸。他們自主設計的新型電解裝置，解決了電極鈍化與鹽類沉積等難題，能在天然海水中連續穩定運行超過500小時，二氧化碳捕集效率高達70%，并可同步副產氫氣。經測算，每捕集一噸二氧化碳的成本約為229.9美元，展現出良好的經濟可行性。同時，研究團隊還研制出了高活性、高甲酸選擇性的鉍基催化劑（Bi-BEN），借助電催化將捕獲的二氧化碳高效轉化為甲酸，并經放大電解系統連續穩定運行20天，持續獲得高濃度純甲酸溶液，為后續生物轉化提供穩定原料。
然而，盡管有了這一關鍵中間產物，但甲酸生物毒性導致大多數微生物難以高效利用又是一大難題。為此，中國科學院深圳先進技術研究院高翔團隊構建了一種能夠高效利用甲酸、并將其轉化為塑料單體的“超級細胞”。研究團隊選擇將生長速率極快的海洋需鈉弧菌作為底盤細胞，成功改造出耐受高濃度甲酸、并能以其作為唯一碳源進行高效生長代謝的“工程菌”。該工程菌能夠將甲酸精準地轉化為合成生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的核心單體琥珀酸以及可降解塑料聚乳酸（PLA）的單體乳酸。
為了驗證整個系統的碳流向和產業可行性，研究人員通過碳同位素（13C）標記實驗，證實了最終生成的琥珀酸分子中碳原子來自于最初捕獲的二氧化碳。在此基礎上，他們還在1升和5升的發酵罐中完成了放大實驗，成功實現了該研究從實驗室搖瓶級到中試水平的過渡。值得注意的是，實驗中產品乳酸的產生，也為拓展可降解塑料的多樣性提供了新的可能。
目前，研究團隊基于合成的生物塑料單體進一步合成了可完全生物降解的PBS及PLA，并制備出示范吸管產品，展示出了將海水轉化為綠色材料的產業化可能性。研究人員談到，PBS、PLA只是這一生物制造平臺的示范案例，通過電催化與代謝通路的模塊化設計與組合優化，該平臺有望擴展至有機酸、單體、表面活性劑、營養配料等多元產品譜系，服務于材料、化學、醫藥與食品等產業場景。
展望未來，研究團隊計劃在沿海地區構建集成化的“綠色工廠”，依托電催化裝置持續從海水中捕獲二氧化碳并轉化為甲酸，并通過發酵罐中的工程菌將甲酸高效轉化為綠色塑料原料。隨著技術不斷優化與大規模應用，該研究將有效緩解海水酸化問題，構建“捕碳-產料-制品”一體化綠色產業鏈，真正實現“邊捕碳、邊產料”的可持續生產模式。
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