来源：生物塑料研究院 2025-10-14 14:45:23
面对全球气候变暖与海洋生态失衡的双重挑战，将海洋中巨量的二氧化碳“变废为宝”已成为科技界迫切的课题。10月6日，一项发表于国际知名学术期刊《自然·催化》的研究成果，为这一愿景带来了突破性进展。这项成果由中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所高翔团队联合电子科技大学夏川团队提出并验证，是一种基于“电催化+生物催化”耦合策略的“人工海洋碳循环系统”。该系统可捕集天然海水中的二氧化碳，并转化为可直接进入生物制造的中间体，再进一步升级为多类高价值化学品与材料。
海洋作为地球最大的天然“碳库”，每年吸收着超四分之一的人为排放二氧化碳，在减缓全球变暖的同时，也引发了严重的海洋酸化问题。如何将已溶入海水的碳转化为可利用资源，是实现“蓝色经济”与国家“双碳”目标必须破解的共同命题。
该项研究的关键创新在于采用“电催化+生物催化”的协同耦合策略。电子科技大学夏川团队率先攻克了海水碳捕集的技术瓶颈。他们自主设计的新型电解装置，解决了电极钝化与盐类沉积等难题，能在天然海水中连续稳定运行超过500小时，二氧化碳捕集效率高达70%，并可同步副产氢气。经测算，每捕集一吨二氧化碳的成本约为229.9美元，展现出良好的经济可行性。同时，研究团队还研制出了高活性、高甲酸选择性的铋基催化剂（Bi-BEN），借助电催化将捕获的二氧化碳高效转化为甲酸，并经放大电解系统连续稳定运行20天，持续获得高浓度纯甲酸溶液，为后续生物转化提供稳定原料。
然而，尽管有了这一关键中间产物，但甲酸生物毒性导致大多数微生物难以高效利用又是一大难题。为此，中国科学院深圳先进技术研究院高翔团队构建了一种能够高效利用甲酸、并将其转化为塑料单体的“超级细胞”。研究团队选择将生长速率极快的海洋需钠弧菌作为底盘细胞，成功改造出耐受高浓度甲酸、并能以其作为唯一碳源进行高效生长代谢的“工程菌”。该工程菌能够将甲酸精准地转化为合成生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的核心单体琥珀酸以及可降解塑料聚乳酸（PLA）的单体乳酸。
为了验证整个系统的碳流向和产业可行性，研究人员通过碳同位素（13C）标记实验，证实了最终生成的琥珀酸分子中碳原子来自于最初捕获的二氧化碳。在此基础上，他们还在1升和5升的发酵罐中完成了放大实验，成功实现了该研究从实验室摇瓶级到中试水平的过渡。值得注意的是，实验中产品乳酸的产生，也为拓展可降解塑料的多样性提供了新的可能。
目前，研究团队基于合成的生物塑料单体进一步合成了可完全生物降解的PBS及PLA，并制备出示范吸管产品，展示出了将海水转化为绿色材料的产业化可能性。研究人员谈到，PBS、PLA只是这一生物制造平台的示范案例，通过电催化与代谢通路的?？榛杓朴胱楹嫌呕?，该平台有望扩展至有机酸、单体、表面活性剂、营养配料等多元产品谱系，服务于材料、化学、医药与食品等产业场景。
展望未来，研究团队计划在沿海地区构建集成化的“绿色工厂”，依托电催化装置持续从海水中捕获二氧化碳并转化为甲酸，并通过发酵罐中的工程菌将甲酸高效转化为绿色塑料原料。随着技术不断优化与大规模应用，该研究将有效缓解海水酸化问题，构建“捕碳-产料-制品”一体化绿色产业链，真正实现“边捕碳、边产料”的可持续生产模式。
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