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海洋作為地球上最大的天然“碳庫”，每年吸收逾四分之一的人為排放二氧化碳，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(gòu)成了嚴(yán)重威脅。如何把這部分已進(jìn)入海洋的碳，轉(zhuǎn)化為人類可利用的資源，減緩海水酸化，是實現(xiàn)“藍(lán)色經(jīng)濟”與“雙碳”目標(biāo)必須面對的共同課題。

不久前，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員高翔團隊聯(lián)合電子科技大學(xué)教授夏川團隊，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)”。相關(guān)成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·催化》上。

該系統(tǒng)可捕集天然海水中的二氧化碳，并將其轉(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值化學(xué)品與材料，構(gòu)建了一個從“海水吸碳”到“材料單體分子產(chǎn)出”的完整鏈條，首次打通了海水碳捕集與下游生物轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

成功破解高效海水碳捕集難題

從海水中實現(xiàn)高效碳捕集，是該研究的第一個關(guān)鍵點。

據(jù)了解，因受到天然海水中存在的鈣鎂離子影響，傳統(tǒng)技術(shù)方法會出現(xiàn)膜溶脹失效，電極污染等，二氧化碳的連續(xù)捕集通常不超過10小時。

為實現(xiàn)連續(xù)、高效海水碳捕集，解決電極鈍化和鹽類沉積等問題，夏川團隊設(shè)計了一種新型電化學(xué)碳捕集裝置。

實驗結(jié)果顯示，該裝置不僅能在天然海水里連續(xù)穩(wěn)定運行超過500小時，二氧化碳捕碳效率達(dá)70%以上，還可同步副產(chǎn)氫氣。在經(jīng)濟性方面，該裝置每捕集一噸二氧化碳的成本約為229.9美元，低于當(dāng)前行業(yè)水平（249—10000美元/噸），展現(xiàn)出良好的實際應(yīng)用前景。

夏川團隊又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。

夏川說，該成果緊密圍繞國家“雙碳”目標(biāo)和“藍(lán)色經(jīng)濟”發(fā)展需求，開拓了海洋碳匯資源化利用的新路徑。不僅為應(yīng)對氣候變化提供了新方案，也為綠色低碳新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，推動了海洋碳資源的高值化利用。

用工程菌“吃”甲酸“吐”塑料

研究的第二個關(guān)鍵點，是將甲酸溶液轉(zhuǎn)化為生物基化學(xué)品，以替代化石工業(yè)來源的化學(xué)品。

據(jù)了解，高翔團隊利用合成生物學(xué)的方法，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“微生物細(xì)胞工廠”。他們選用了一種生長速率極快的海洋微生物——需鈉弧菌作為底盤微生物，通過合成生物學(xué)結(jié)合實驗室適應(yīng)性進(jìn)化手段，對其代謝系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，成功改造出能耐受高濃度甲酸、并高效利用甲酸“工程菌”。該工程菌能夠?qū)⒓姿岫ㄏ虻剞D(zhuǎn)化為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(chǎn)業(yè)可行性，高翔團隊通過穩(wěn)定碳同位素（13C）標(biāo)記實驗，證實了琥珀酸分子中的碳原子來自最初捕獲的二氧化碳。而實驗中乳酸的產(chǎn)生，也為拓展可降解塑料的多樣性提供了新的可能。

從生態(tài)意義上看，這項研究完整地構(gòu)建了一條從海洋二氧化碳到可降解生物材料的全新、可持續(xù)的轉(zhuǎn)化途徑，為實現(xiàn)碳中和、減少化石資源依賴及應(yīng)對海水酸化問題提供了解決方案。

計劃打造集成化“綠色工廠”

目前，研究團隊基于合成的生物塑料單體，進(jìn)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(chǎn)品，展示出了將海水中二氧化碳轉(zhuǎn)化為綠色材料的產(chǎn)業(yè)化前景。

研究人員指出，未來，電化學(xué)+合成生物學(xué)的“人工海洋碳循環(huán)系統(tǒng)”，有望演變?yōu)橐粋€多元化的產(chǎn)品譜系。

例如，在材料領(lǐng)域，該系統(tǒng)除了生產(chǎn)吸管，還能生產(chǎn)替代一次性泡沫塑料的可降解餐盒、快遞包裝，以及在田間使用后能直接降解為肥料的農(nóng)業(yè)地膜；在日用化工領(lǐng)域，該系統(tǒng)可以生產(chǎn)綠色表面活性劑，用于制造不含磷、氮的環(huán)保型洗滌劑，從而減輕江河湖泊的富營養(yǎng)化；在食品與醫(yī)藥行業(yè)，該系統(tǒng)可潛在合成高價值的營養(yǎng)強化劑或藥物中間體，實現(xiàn)從二氧化碳到高端產(chǎn)品的跨越式升級。

高翔說：“我們希望把海洋豐富的碳資源轉(zhuǎn)化為綠色高價值產(chǎn)品，以此實現(xiàn)碳減排、資源利用和產(chǎn)業(yè)升級的多重目標(biāo)。”

未來，高翔團隊和夏川團隊計劃在沿海地區(qū)構(gòu)建集成化的“綠色工廠”。一方面，依托新型電化學(xué)碳捕集裝置，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。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷優(yōu)化與大規(guī)模應(yīng)用，該研究成果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，為我國“藍(lán)色經(jīng)濟”高質(zhì)量發(fā)展注入綠色動能。