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，對海洋生態(tài)平衡構成了嚴重威脅。如何把這部分已進入海洋的碳，轉化為人類可利用的資源，減緩海水酸化，是實現(xiàn)“藍色經濟”與“雙碳”目標所必須面對的共同命題。
10月6日，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(lián)合電子科技大學夏川團隊，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)”，相關成果發(fā)表在國際學術期刊《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。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品提供生物制造平臺。
破解海水高效捕碳難題
該項研究提出的“人工海洋碳循環(huán)系統(tǒng)”，構建了一個從“海水吸碳”到“材料與分子產出”的完整鏈條，采用“電催化+合成生物學”協(xié)同方案，首次打通了海水碳捕集與下游生物轉化的關鍵環(huán)節(jié)，以可降解塑料單體為示范，形成可擴展的平臺路徑，為跨學科融合提供了新范例。
研究的首個關鍵環(huán)節(jié)由電子科技大學夏川團隊負責，他們利用電催化技術實現(xiàn)了從海水中進行高效的碳捕集。面對電極鈍化和鹽類沉積等難題，研究團隊設計了一種新型電解裝置。
實驗結果顯示，該裝置能在天然海水里連續(xù)穩(wěn)定運行超過500小時，二氧化碳捕碳效率高達70%以上，還可同步副產氫氣。在經濟性方面，每捕集一噸二氧化碳的成本約為229.9美元，展現(xiàn)出良好的實際應用前景。
研究團隊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化為甲酸，并經放大電解系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行20天，持續(xù)獲得高濃度純甲酸溶液。
夏川表示，該成果緊密圍繞國家“雙碳”目標和藍色經濟發(fā)展需求，開拓了海洋碳匯資源化利用的新路徑。不僅為應對氣候變化提供了新方案，也為綠色低碳新材料產業(yè)發(fā)展奠定了關鍵技術基礎，推動了海洋碳資源的高值化利用。
構建“吃”甲酸“吐”塑料的超級細胞
研究的第二個關鍵環(huán)節(jié)，由高翔團隊主導，他們利用生物催化的方法，將甲酸溶液轉化為可替代化石工業(yè)來源的生物化學品。盡管甲酸來源廣泛，但其生物毒性導致大多數微生物難以高效利用。
針對這一難題，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”。
研究團隊選擇了生長速率極快的海洋需納弧菌（Vibrio natriegens）作為底盤細胞，通過實驗室的長期進化和合成生物學手段，對細菌的基因線路進行系統(tǒng)重構，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(tǒng)的碳流向和產業(yè)可行性，研究人員首先通過碳同位素（13C）標記實驗，證實了最終生成的琥珀酸分子中碳原子來自最初捕獲的二氧化碳。
在此基礎上，他們在1升和5升的發(fā)酵罐中完成了放大實驗，成功實現(xiàn)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。
“綠色工廠”藍圖浮現(xiàn)
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(yè)化可能性。
研究人員指出，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(yōu)化，該平臺有望擴展至有機酸、單體、表面活性劑、營養(yǎng)配料等多元產品譜系，服務于材料、化學、醫(yī)藥與食品等產業(yè)場景。
項目共同負責人高翔副研究員表示：“我們希望把海洋豐富的碳資源轉化為綠色高價值產品，以期實現(xiàn)碳減排、資源利用和產業(yè)升級的多重目標。這項研究也為我國落實‘雙碳’戰(zhàn)略、建設海洋強國提供重要科技支撐?！?/span>
未來，研究團隊計劃在沿海地區(qū)構建集成化的“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化為綠色塑料原料。隨著技術不斷優(yōu)化與大規(guī)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(yè)鏈，真正實現(xiàn)“邊捕碳、邊產料”的可持續(xù)生產模式，為我國“藍色經濟”高質量發(fā)展注入強勁綠色動能。
來源：智匯海洋