海洋，作为地球上最大的天然“碳库”，每年吸收逾四分之一人为排放的二氧化碳，有效减缓了全球气候变暖。然而，海水持续吸收二氧化碳引发的海洋酸化，对海洋生态平衡构成了严重威胁。如何把这部分已进入海洋的碳，转化为人类可利用的资源，减缓海水酸化，是促进“蓝色经济”发展与实现“双碳”目标所面对的共同命题。
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”。该系统可捕集天然海水中的二氧化碳，并转化为可直接进入生物制造的中间体，再进一步升级为多类高价值化学品与材料。该研究以可降解塑料单体为示范案例，有望为燃料、医药与食品配料等更广谱产品提供生物制造平台。相关成果近日发表在国际学术期刊《自然·催化》上。
研究的首个关键环节由电子科技大学夏川团队负责。他们利用电催化技术实现了从海水中进行高效的碳捕集。面对电极钝化和盐类沉积等难题，研究团队设计了一种新型电解装置。实验结果显示，该装置能在天然海水里连续稳定运行超500小时，二氧化碳捕碳效率有70%以上，还可同步副产氢气。同时，研究团队成功研制出高活性、高甲酸选择性的铋基催化剂，借助电催化将捕获的二氧化碳高效转化为甲酸，并持续获得高浓度甲酸溶液。
研究的第二个关键环节由中国科学院深圳先进院高翔团队主导。他们利用生物催化的方法，将甲酸溶液转化为可替代化石工业来源的生物化学品。研究团队选择了生长速率极快的海洋需纳弧菌，通过实验室的长期进化和合成生物学手段，对细菌的基因线路进行系统重构，成功改造出耐受高浓度甲酸、并能以其作为唯一碳源进行高效生长代谢的“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。
为了验证整个系统的碳流向和产业可行性，研究人员通过碳同位素标记实验，证实了最终生成的琥珀酸分子中碳原子来自最初捕获的二氧化碳。在此基础上，他们在1升和5升的发酵罐中完成了放大实验，成功实现了该研究从实验室摇瓶级到中试水平的过渡。值得注意的是，实验中产品乳酸的产生，也为拓展可降解塑料的多样性提供了新的可能。
目前，研究团队基于合成的生物塑料单体进一步合成了可完全生物降解的PBS及PLA，并制备出示范吸管产品，展示出了将海水转化为绿色材料的产业化可能性。研究人员指出，通过电催化与代谢通路的模块化设计与组合优化，该平台有望扩展至有机酸、单体、表面活性剂、营养配料等多元产品谱系，服务于材料、化学、医药与食品等产业场景。
项目共同负责人高翔表示：“我们希望把海洋丰富的碳资源转化为绿色高价值产品，以期实现碳减排、资源利用和产业升级的多重目标。这项研究也为我国落实‘双碳’战略、建设海洋强国提供重要科技支撑。”
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