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(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。

澎湃新聞記者獲悉，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合成生物學(xué)研究所高翔團(tuán)隊(duì)聯(lián)合電子科技大學(xué)夏川團(tuán)隊(duì)，首次提出并驗(yàn)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(guān)成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·催化》。

電催化+生物催化的集成系統(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(jìn)入生物制造的中間體，再進(jìn)一步升級為多類高價(jià)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。

據(jù)介紹，研究的首個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)由夏川團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)，他們利用電催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從海水中進(jìn)行高效的碳捕集。面對電極鈍化和鹽類沉積等難題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型電解裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該裝置能在天然海水里連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過500小時(shí)，二氧化碳捕碳效率高達(dá)70%以上，還可同步副產(chǎn)氫氣。在經(jīng)濟(jì)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(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)化為甲酸，并經(jīng)放大電解系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行20天，持續(xù)獲得高濃度純甲酸溶液。

研究的第二個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由高翔團(tuán)隊(duì)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。

需要注意的是，盡管甲酸來源廣泛，但其生物毒性導(dǎo)致大多數(shù)微生物難以高效利用。針對這一難題，高翔團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種能夠高效利用甲酸、并將其轉(zhuǎn)化為塑料單體的“超級細(xì)胞”。

研究團(tuán)隊(duì)選擇了生長速率極快的海洋需納弧菌（Vibrio natriegens）作為底盤細(xì)胞，通過實(shí)驗(yàn)室的長期進(jìn)化和合成生物學(xué)手段，對細(xì)菌的基因線路進(jìn)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(jìn)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。

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(shè)計(jì)與組合優(yōu)化，該平臺有望擴(kuò)展至有機(jī)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。

值得關(guān)注的是，未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在沿海地區(qū)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為綠色塑料原料。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，隨著技術(shù)不斷優(yōu)化與大規(guī)模應(yīng)用，該研究將有效緩解海水酸化問題，構(gòu)建“捕碳-產(chǎn)料-制品”一體化綠色產(chǎn)業(yè)鏈，真正實(shí)現(xiàn)“邊捕碳、邊產(chǎn)料”的可持續(xù)生產(chǎn)模式，為我國“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”高質(zhì)量發(fā)展注入強(qiáng)勁綠色動能。