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实现“海水变生物塑料”！我国科学家首创人工海洋碳循环系统
2025年10月10日 11:47:16
来源：化工仪器网 作者：羊舌木 点击量：6116
2025年10月6日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所高翔团队联合电子科技大学夏川团队首次提出并验证了一种基于“电催化 生物催化”耦合策略的“人工海洋碳循环系统”。
2025年10月6日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所高翔团队联合电子科技大学夏川团队，在国际学术期刊《自然·催化》发表重要研究成果——首次提出并验证了一种基于“电催化+生物催化”耦合策略的“人工海洋碳循环系统”。
海洋是地球上最大的活跃碳汇，每年吸收超过25%的人为排放二氧化碳，对缓解全球气候变暖具有不可替代的作用。然而，随着大气中二氧化碳浓度持续上升，海水吸收过量二氧化碳导致pH值下降，引发海洋酸化，严重威胁珊瑚礁、贝类等钙化生物的生存，对海洋生态平衡构成了严重威胁。如何在减缓碳排放的同时，实现已进入海洋的碳资源的高效捕集与高值化利用，成为当前环境科学与可持续发展领域的重要挑战。
针对这一难题，研究团队创新性地构建了“人工海洋碳循环系统”，打通了“海水吸碳—化学转化—生物制造—材料产出”的完整技术链条。该系统采用“电催化+合成生物学”协同方案，分为两大核心环节：一是通过电催化技术实现海水中二氧化碳的高效捕集与转化；二是利用生物催化的方法，将中间产物定向合成为可降解塑料单体等高附加值产品。
在电催化环节，电子科技大学夏川团队设计了一种新型电解装置，有效克服了传统方法中存在的电极钝化与盐类沉积等技术难题。实验表明，该装置可在天然海水中连续稳定运行超过500小时，二氧化碳捕集效率达70%以上，并同步副产氢气，具备良好的能源协同效益。研究团队进一步开发出高活性、高甲酸选择性的铋基催化剂(Bi-BEN)，通过两步法制备工艺，成功将捕获的二氧化碳高效转化为甲酸。放大后的电解系统连续运行20天，持续产出高浓度纯甲酸溶液，每吨二氧化碳捕集成本约为229.9美元，展现出显著的经济可行性。
在生物催化环节，中国科学院深圳先进技术研究院高翔团队聚焦甲酸的生物利用难题。由于甲酸具有较强生物毒性，多数微生物难以以其为唯一碳源进行高效代谢。为此，研究团队选用生长速率快、适应性强的海洋需纳弧菌(Vibrio natriegens)作为底盘细胞，结合实验室长期适应性进化与合成生物学基因线路重构技术，成功构建出耐受高浓度甲酸并能高效将其转化为目标产物的“超级工程菌”。
该工程菌能够将甲酸精准地转化为合成生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的核心单体——琥珀酸，以及可降解塑料聚乳酸(PLA)的单体——乳酸。通过碳同位素(¹³C)标记实验，研究人员确证了最终产物中碳原子的来源为初始捕获的二氧化碳，完整追踪了碳流路径，验证了系统的闭环碳循环特性。在1升和5升发酵罐中开展的中试放大实验表明，该系统具备从实验室向产业化过渡的潜力。
基于所获得的生物基单体，研究团队已成功合成完全可生物降解的PBS和PLA材料，并制备出示范吸管产品，初步展示了技术的产业应用前景。研究人员指出，PBS和PLA仅为该平台的示范性产品，未来通过电催化与代谢通路的模块化设计与组合优化，该系统可拓展至有机酸、表面活性剂、营养配料及医药中间体等多元产品体系，服务于材料、化工、食品与医药等多个产业领域。
目前，研究团队正规划在沿海地区建设集成化“绿色工厂”，集成电催化碳捕集与生物发酵转化系统，构建“捕碳-产料-制品”一体化绿色产业链。该技术的大规模应用有望在实现碳资源高值化利用的同时，有效缓解海水酸化问题，推动“蓝色经济”高质量发展，为全球气候变化应对提供中国方案。
资料参考来源：科技日报
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