實現“海水變生物塑料”！我國科學家人工海洋碳循環系統

2025年10月6日，上海自動化儀表三廠中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國實驗室、合成生物學研究所高翔團隊聯合電子科技大學夏川團隊，在國際學術期刊《自然·催化》發表重要研究成果——提出并驗證了一種基于“電催化+生物催化”耦合策略的“人工海洋碳循環系統”。

　　上海自動化儀表三廠海洋是地球上大的活躍碳匯，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上升，海水吸收過量二氧化碳導致pH值下降，引發海洋酸化，嚴重威脅珊瑚礁、貝類等鈣化生物的生存，對海洋生態平衡構成了嚴重威脅。如何在減緩碳排放的同時，實現已進入海洋的碳資源的捕集與高值化利用，成為當前環境科學與可持續發展領域的重要挑戰。

　　針對這一難題，研究團隊創新性地構建了“人工海洋碳循環系統”，打通了“海水吸碳—化學轉化—生物制造—材料產出”的完整技術鏈條。該系統采用“電催化+合成生物學”協同方案，分為兩大核心環節：一是通過電催化技術實現海水中二氧化碳的捕集與轉化；二是利用生物催化的方法，將中間產物定向合成為可降解塑料單體等高附加值產品。

　　在電催化環節，電子科技大學夏川團隊設計了一種新型電解裝置，有效克服了傳統方法中存在的鈍化與鹽類沉積等技術難題。實驗表明，該裝置可在天然海水中連續穩定運行超過500小時，二氧化碳捕集效率達70%以上，并同步副產氫氣，具備良好的能源協同效益。研究團隊進一步開發出高活性、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轉化為甲酸。放大后的電解系統連續運行20天，持續產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，展現出顯著的經濟可行性。

　　在生物催化環節，中國科學院深圳先進技術研究院高翔團隊聚焦甲酸的生物利用難題。由于甲酸具有較強生物毒性，多數微生物難以以其為唯碳源進行代謝。為此，研究團隊選用生長速率快、適應性強的海洋需納弧菌(Vibrio natriegens)作為底盤細胞，結合實驗室長期適應性進化與合成生物學基因線路重構技術，成功構建出耐受高濃度甲酸并能將其轉化為目標產物的“工程菌”。

　　該工程菌能夠將甲酸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。通過碳同位素(13C)標記實驗，研究人員確證了產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，驗證了系統的閉環碳循環特性。在1升和5升發酵罐中開展的中試放大實驗表明，該系統具備從實驗室向產業化過渡的潛力。

　　上海自動化儀表有限公司基于所獲得的生物基單體，研究團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品，初步展示了技術的產業應用前景。研究人員指出，PBS和PLA僅為該平臺的示范性產品，未來通過電催化與代謝通路的模塊化設計與組合優化，該系統可拓展至有機酸、表面活性劑、營養配料及醫藥中間體等多元產品體系，服務于材料、化工、食品與醫藥等多個產業領域。

　　目前，上海自動化儀表有限公司研究團隊正規劃在沿海地區建設集成化“綠色工廠”，集成電催化碳捕集與生物發酵轉化系統，構建“捕碳-產料-制品”一體化綠色產業鏈。該技術的大規模應用有望在實現碳資源高值化利用的同時，有效緩解海水酸化問題，推動“藍色經濟”高質量發展，為全球氣候變化應對提供中國方案。

　　資料參考來源：科技日報