實現(xiàn)“海水變生物塑料”！我國科學(xué)家首創(chuàng)人工海洋碳循環(huán)系統(tǒng)
2025年10月6日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室、合成生物學(xué)研究所高翔團(tuán)隊聯(lián)合電子科技大學(xué)夏川團(tuán)隊，在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·催化》發(fā)表重要研究成果——首次提出并驗證了一種基于“電催化+生物催化”耦合策略的“人工海洋碳循環(huán)系統(tǒng)”。
海洋是地球上最大的活躍碳匯，每年吸收超過25%的人為排放二氧化碳，對緩解全球氣候變暖具有不可替代的作用。然而，隨著大氣中二氧化碳濃度持續(xù)上升，海水吸收過量二氧化碳導(dǎo)致pH值下降，引發(fā)海洋酸化，嚴(yán)重威脅珊瑚礁、貝類等鈣化生物的生存，對海洋生態(tài)平衡構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。如何在減緩碳排放的同時，實現(xiàn)已進(jìn)入海洋的碳資源的高效捕集與高值化利用，成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。
針對這一難題，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地構(gòu)建了“人工海洋碳循環(huán)系統(tǒng)”，打通了“海水吸碳—化學(xué)轉(zhuǎn)化—生物制造—材料產(chǎn)出”的完整技術(shù)鏈條。該系統(tǒng)采用“電催化+合成生物學(xué)”協(xié)同方案，分為兩大核心環(huán)節(jié)：一是通過電催化技術(shù)實現(xiàn)海水中二氧化碳的高效捕集與轉(zhuǎn)化；二是利用生物催化的方法，將中間產(chǎn)物定向合成為可降解塑料單體等高附加值產(chǎn)品。
在電催化環(huán)節(jié)，電子科技大學(xué)夏川團(tuán)隊設(shè)計了一種新型電解裝置，有效克服了傳統(tǒng)方法中存在的電極鈍化與鹽類沉積等技術(shù)難題。實驗表明，該裝置可在天然海水中連續(xù)穩(wěn)定運行超過500小時，二氧化碳捕集效率達(dá)70%以上，并同步副產(chǎn)氫氣，具備良好的能源協(xié)同效益。研究團(tuán)隊進(jìn)一步開發(fā)出高活性、高甲酸選擇性的鉍基催化劑(Bi-BEN)，通過兩步法制備工藝，成功將捕獲的二氧化碳高效轉(zhuǎn)化為甲酸。放大后的電解系統(tǒng)連續(xù)運行20天，持續(xù)產(chǎn)出高濃度純甲酸溶液，每噸二氧化碳捕集成本約為229.9美元，展現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟(jì)可行性。
在生物催化環(huán)節(jié)，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院高翔團(tuán)隊聚焦甲酸的生物利用難題。由于甲酸具有較強生物毒性，多數(shù)微生物難以以其為唯一碳源進(jìn)行高效代謝。為此，研究團(tuán)隊選用生長速率快、適應(yīng)性強的海洋需納弧菌(Vibrio natriegens)作為底盤細(xì)胞，結(jié)合實驗室長期適應(yīng)性進(jìn)化與合成生物學(xué)基因線路重構(gòu)技術(shù)，成功構(gòu)建出耐受高濃度甲酸并能高效將其轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物的“超級工程菌”。
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。通過碳同位素(¹³C)標(biāo)記實驗，研究人員確證了最終產(chǎn)物中碳原子的來源為初始捕獲的二氧化碳，完整追蹤了碳流路徑，驗證了系統(tǒng)的閉環(huán)碳循環(huán)特性。在1升和5升發(fā)酵罐中開展的中試放大實驗表明，該系統(tǒng)具備從實驗室向產(chǎn)業(yè)化過渡的潛力。
基于所獲得的生物基單體，研究團(tuán)隊已成功合成完全可生物降解的PBS和PLA材料，并制備出示范吸管產(chǎn)品，初步展示了技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。研究人員指出，PBS和PLA僅為該平臺的示范性產(chǎn)品，未來通過電催化與代謝通路的模塊化設(shè)計與組合優(yōu)化，該系統(tǒng)可拓展至有機酸、表面活性劑、營養(yǎng)配料及醫(yī)藥中間體等多元產(chǎn)品體系，服務(wù)于材料、化工、食品與醫(yī)藥等多個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。
目前，研究團(tuán)隊正規(guī)劃在沿海地區(qū)建設(shè)集成化“綠色工廠”，集成電催化碳捕集與生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，構(gòu)建“捕碳-產(chǎn)料-制品”一體化綠色產(chǎn)業(yè)鏈。該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用有望在實現(xiàn)碳資源高值化利用的同時，有效緩解海水酸化問題，推動“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”高質(zhì)量發(fā)展，為全球氣候變化應(yīng)對提供中國方案。
資料參考來源：科技日報
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