海洋作為地球上最大的天然“碳庫”，每年吸收逾四分之一人為排放的二氧化碳，有效減緩全球氣候變暖。然而，海水持續吸收二氧化碳引發的海洋酸化，對海洋生態平衡構成了嚴重威脅。

澎湃新聞記者獲悉，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合電子科技大學夏川團隊，首次提出並驗證了一種基於“電催化+生物催化”耦合策略的“人工海洋碳循環系統”，相關成果發表在國際學術期刊《自然·催化》。

該系統可捕集天然海水中的二氧化碳，並轉化為可直接進入生物製造的中間體，再進一步升級為多類高價值化學品與材料。該研究以可降解塑膠單體為示範案例，有望為燃料、醫藥與食品配料等更廣譜產品提供生物製造平臺。

據介紹，研究的首個關鍵環節由夏川團隊負責，他們利用電催化技術實現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裏連續穩定運行超過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。

此外，研究團隊通過兩步法成功研製出了高活性、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，並經放大電解系統連續穩定運行20天，持續獲得高濃度純甲酸溶液。

研究的第二個關鍵環節，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來源的生物化學品。

需要注意的是，儘管甲酸來源廣泛，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、並將其轉化為塑膠單體的“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重構，成功改造出耐受高濃度甲酸、並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准地轉化為合成生物可降解塑膠聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的核心單體——琥珀酸，以及可降解塑膠聚乳酸（PLA）的單體——乳酸。

研究人員指出，PBS、PLA只是這一生物製造平臺的示範案例，通過電催化與代謝通路的模組化設計與組合優化，該平臺有望擴展至有機酸、單體、表面活性劑、營養配料等多元產品譜系，服務於材料、化學、醫藥與食品等產業場景。

值得關注的是，未來，研究團隊計畫在沿海地區構建集成化的“綠色工廠”。一方面，依託電催化裝置持續從海水中捕獲二氧化碳並轉化為甲酸。另一方面，通過發酵罐中的工程菌將甲酸高效轉化為綠色塑膠原料。

研究團隊認為，隨著技術不斷優化與大規模應用，該研究將有效緩解海水酸化問題，構建“捕碳-產料-製品”一體化綠色產業鏈，真正實現“邊捕碳、邊產料”的可持續生產模式，為我國“藍色經濟”高質量發展注入強勁綠色動能。

來源：中國澎湃新聞