面對(duì)全球氣候變暖與海洋生態(tài)失衡的雙重挑戰(zhàn)，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(xiàng)發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·催化》的研究成果，為這一愿景帶來(lái)了突破性進(jìn)展。這項(xiàng)成果由中國(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)提出并驗(yàn)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(huán)系統(tǒng)”。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(lèi)高價(jià)值化學(xué)品與材料。

海洋作為地球最大的天然“碳庫(kù)”，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(shí)，也引發(fā)了嚴(yán)重的海洋酸化問(wèn)題。如何將已溶入海水的碳轉(zhuǎn)化為可利用資源，是實(shí)現(xiàn)“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”與國(guó)家“雙碳”目標(biāo)必須破解的共同命題。

該項(xiàng)研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于采用“電催化+生物催化”的協(xié)同耦合策略。電子科技大學(xué)夏川團(tuán)隊(duì)率先攻克了海水碳捕集的技術(shù)瓶頸。他們自主設(shè)計(jì)的新型電解裝置，解決了電極鈍化與鹽類(lèi)沉積等難題，能在天然海水中連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)500小時(shí)，二氧化碳捕集效率高達(dá)70%，并可同步副產(chǎn)氫氣。經(jīng)測(cè)算，每捕集一噸二氧化碳的成本約為229.9美元，展現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)可行性。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)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(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，為后續(xù)生物轉(zhuǎn)化提供穩(wěn)定原料。

然而，盡管有了這一關(guān)鍵中間產(chǎn)物，但甲酸生物毒性導(dǎo)致大多數(shù)微生物難以高效利用又是一大難題。為此，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院高翔團(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)選擇將生長(zhǎng)速率極快的海洋需鈉弧菌作為底盤(pán)細(xì)胞，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，研究人員通過(guò)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(lái)自于最初捕獲的二氧化碳。在此基礎(chǔ)上，他們還在1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(guò)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。

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。研究人員談到，PBS、PLA只是這一生物制造平臺(tái)的示范案例，通過(guò)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。

展望未來(lái)，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(chǎng)”，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，并通過(guò)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(wèn)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。