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(gòu)成了嚴(yán)重威脅。如何把這部分已進入海洋的碳，轉(zhuǎn)化為人類可利用的資源，減緩海水酸化，是促進“藍色經(jīng)濟”發(fā)展與實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)所面對的共同命題。

中國科學(xué)院深圳先進技術(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)研究所高翔團隊聯(lián)合電子科技大學(xué)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)”。該系統(tǒng)可捕集天然海水中的二氧化碳，并轉(zhuǎn)化為可直接進入生物制造的中間體，再進一步升級為多類高價值化學(xué)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(chǎn)品提供生物制造平臺。相關(guān)成果近日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·催化》上。

研究的首個關(guān)鍵環(huán)節(jié)由電子科技大學(xué)夏川團隊負責(zé)。他們利用電催化技術(shù)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(shè)計了一種新型電解裝置。實驗結(jié)果顯示，該裝置能在天然海水里連續(xù)穩(wěn)定運行超500小時，二氧化碳捕碳效率有70%以上，還可同步副產(chǎn)氫氣。同時，研究團隊成功研制出高活性、高甲酸選擇性的鉍基催化劑，借助電催化將捕獲的二氧化碳高效轉(zhuǎn)化為甲酸，并持續(xù)獲得高濃度甲酸溶液。

研究的第二個關(guān)鍵環(huán)節(jié)由中國科學(xué)院深圳先進院高翔團隊主導(dǎo)。他們利用生物催化的方法，將甲酸溶液轉(zhuǎn)化為可替代化石工業(yè)來源的生物化學(xué)品。研究團隊選擇了生長速率極快的海洋需納弧菌，通過實驗室的長期進化和合成生物學(xué)手段，對細菌的基因線路進行系統(tǒng)重構(gòu)，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?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。

為了驗證整個系統(tǒng)的碳流向和產(chǎn)業(yè)可行性，研究人員通過碳同位素標(biāo)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(chǔ)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(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(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。研究人員指出，通過電催化與代謝通路的模塊化設(shè)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(chǎn)品譜系，服務(wù)于材料、化學(xué)、醫(yī)藥與食品等產(chǎn)業(yè)場景。

項目共同負責(zé)人高翔表示：“我們希望把海洋豐富的碳資源轉(zhuǎn)化為綠色高價值產(chǎn)品，以期實現(xiàn)碳減排、資源利用和產(chǎn)業(yè)升級的多重目標(biāo)。這項研究也為我國落實“雙碳”戰(zhàn)略、建設(shè)海洋強國提供重要科技支撐。”