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海洋作為地球上最大的天然“碳庫”，每年吸收逾四分之一的人為排放二氧化碳，有效減緩了全球氣候變暖。然而，海水持續(xù)吸收二氧化碳引發(fā)的海洋酸化，對(duì)海洋生態(tài)平衡構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。如何把這部分已進(jìn)入海洋的碳，轉(zhuǎn)化為人類可利用的資源，減緩海水酸化，是實(shí)現(xiàn)“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”與“雙碳”目標(biāo)所必須面對(duì)的共同命題。

10月6日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合成生物學(xué)研究所高翔團(tuán)隊(duì)聯(lián)合電子科技大學(xué)夏川團(tuán)隊(duì)，首次提出并驗(yàn)證了一種基于“電催化+生物催化”耦合策略的“人工海洋碳循環(huán)系統(tǒng)”，相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·催化》。

該系統(tǒng)可捕集天然海水中的二氧化碳，并轉(zhuǎn)化為可直接進(jìn)入生物制造的中間體，再進(jìn)一步升級(jí)為多類高價(jià)值化學(xué)品與材料。該研究以可降解塑料單體為示范案例，有望為燃料、醫(yī)藥與食品配料等更廣譜產(chǎn)品提供生物制造平臺(tái)。

破解海水高效捕碳難題

該項(xiàng)研究提出的“人工海洋碳循環(huán)系統(tǒng)”，構(gòu)建了一個(gè)從“海水吸碳”到“材料與分子產(chǎn)出”的完整鏈條，采用“電催化+合成生物學(xué)”協(xié)同方案，首次打通了海水碳捕集與下游生物轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以可降解塑料單體為示范，形成可擴(kuò)展的平臺(tái)路徑，為跨學(xué)科融合提供了新范例。

研究的首個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)由電子科技大學(xué)夏川團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)，他們利用電催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從海水中進(jìn)行高效的碳捕集。面對(duì)電極鈍化和鹽類沉積等難題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型電解裝置。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該裝置能在天然海水里連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過500小時(shí)，二氧化碳捕碳效率高達(dá)70%以上，還可同步副產(chǎn)氫氣。在經(jīng)濟(jì)性方面，每捕集一噸二氧化碳的成本約為229.9美元，展現(xiàn)出良好的實(shí)際應(yīng)用前景。

研究團(tuán)隊(duì)通過兩步法成功研制出了高活性、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(zhuǎn)化為甲酸，并經(jīng)放大電解系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行20天，持續(xù)獲得高濃度純甲酸溶液。

夏川表示，該成果緊密圍繞國(guó)家“雙碳”目標(biāo)和藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，開拓了海洋碳匯資源化利用的新路徑。不僅為應(yīng)對(duì)氣候變化提供了新方案，也為綠色低碳新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，推動(dòng)了海洋碳資源的高值化利用。

構(gòu)建“吃”甲酸“吐”塑料的超級(jí)細(xì)胞

研究的第二個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由高翔團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，他們利用生物催化的方法，將甲酸溶液轉(zhuǎn)化為可替代化石工業(yè)來源的生物化學(xué)品。盡管甲酸來源廣泛，但其生物毒性導(dǎo)致大多數(shù)微生物難以高效利用。

針對(duì)這一難題，高翔團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種能夠高效利用甲酸、并將其轉(zhuǎn)化為塑料單體的“超級(jí)細(xì)胞”。

研究團(tuán)隊(duì)選擇了生長(zhǎng)速率極快的海洋需納弧菌（Vibrio natriegens）作為底盤細(xì)胞，通過實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)期進(jìn)化和合成生物學(xué)手段，對(duì)細(xì)菌的基因線路進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，成功改造出耐受高濃度甲酸、并能以其作為唯一碳源進(jìn)行高效生長(zhǎng)代謝的“工程菌”。

該工程菌能夠?qū)⒓姿峋珳?zhǔn)地轉(zhuǎn)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(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的碳流向和產(chǎn)業(yè)可行性，研究人員首先通過碳同位素（13C）標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了最終生成的琥珀酸分子中碳原子來自最初捕獲的二氧化碳。

在此基礎(chǔ)上，他們?cè)?升和5升的發(fā)酵罐中完成了放大實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了該研究從實(shí)驗(yàn)室搖瓶級(jí)到中試水平的過渡。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)品乳酸的產(chǎn)生，也為拓展可降解塑料的多樣性提供了新的可能。

“綠色工廠”藍(lán)圖浮現(xiàn)

目前，研究團(tuán)隊(duì)基于合成的生物塑料單體進(jìn)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(chǎn)品，展示出了將海水轉(zhuǎn)化為綠色材料的產(chǎn)業(yè)化可能性。

研究人員指出，PBS、PLA只是這一生物制造平臺(tái)的示范案例，通過電催化與代謝通路的模塊化設(shè)計(jì)與組合優(yōu)化，該平臺(tái)有望擴(kuò)展至有機(jī)酸、單體、表面活性劑、營(yíng)養(yǎng)配料等多元產(chǎn)品譜系，服務(wù)于材料、化學(xué)、醫(yī)藥與食品等產(chǎn)業(yè)場(chǎng)景。

項(xiàng)目共同負(fù)責(zé)人高翔副研究員表示：“我們希望把海洋豐富的碳資源轉(zhuǎn)化為綠色高價(jià)值產(chǎn)品，以期實(shí)現(xiàn)碳減排、資源利用和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的多重目標(biāo)。這項(xiàng)研究也為我國(guó)落實(shí)‘雙碳’戰(zhàn)略、建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)提供重要科技支撐?！?/p>

未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在沿海地區(qū)構(gòu)建集成化的“綠色工廠”。一方面，依托電催化裝置持續(xù)從海水中捕獲二氧化碳并轉(zhuǎn)化為甲酸。另一方面，通過發(fā)酵罐中的工程菌將甲酸高效轉(zhuǎn)化為綠色塑料原料。隨著技術(shù)不斷優(yōu)化與大規(guī)模應(yīng)用，該研究將有效緩解海水酸化問題，構(gòu)建“捕碳-產(chǎn)料-制品”一體化綠色產(chǎn)業(yè)鏈，真正實(shí)現(xiàn)“邊捕碳、邊產(chǎn)料”的可持續(xù)生產(chǎn)模式，為我國(guó)“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”高質(zhì)量發(fā)展注入強(qiáng)勁綠色動(dòng)能。

（科研團(tuán)隊(duì)供圖）