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，是促進“藍色經濟”發(fā)展與實現“雙碳”目標所面對的共同命題。
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)”。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。相關成果近日發(fā)表在國際學術期刊《自然·催化》上。
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500小時，二氧化碳捕碳效率有70%以上，還可同步副產氫氣。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化為甲酸，并持續(xù)獲得高濃度甲酸溶液。
研究的第二個關鍵環(huán)節(jié)由中國科學院深圳先進院高翔團隊主導。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。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，研究人員通過碳同位素標記實驗，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。
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，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。”
來源：光明日報
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