一邊海水捕碳一邊合成綠色材料 深圳科學家加速破解海洋減碳難題

論文共同通訊作者高翔（右）與論文共同第一作者郭明明（左）交流實驗結果。 受訪單位供圖

深圳新聞網2025年10月9日訊（深圳特區報記者 聞坤）日前，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“人工海洋碳循環系統”，相關成果發表在國際學術期刊《自然·催化》。

該系統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、醫藥與食品配料等更廣譜產品提供生物制造平臺。

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，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，是實現“藍色經濟”與“雙碳”目標所必須面對的共同命題。

該項研究提出的“人工海洋碳循環系統”，構建了一個從“海水吸碳”到“材料與分子產出”的完整鏈條，采用“電催化+合成生物學”協同方案，首次打通了海水碳捕集與下游生物轉化的關鍵環節，以可降解塑料單體為示范,形成可擴展的平臺路徑，為跨學科融合提供了新范例。

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穩定運行超過500小時，二氧化碳捕碳效率高達70%以上，還可同步副產氫氣。研究團隊通過鉍基催化劑（Bi-BEN），借助電催化將捕獲的二氧化碳高效轉化為甲酸，并經放大電解系統連續穩定運行20天，持續獲得高濃度純甲酸溶液。

接下來，如何將甲酸溶液轉化為可替代化石工業來源的生物化學品？研究團隊選擇了生長速率極快的海洋需納弧菌（Vibrio natriegens）作為底盤細胞，通過實驗室的長期進化和合成生物學手段，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。

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化可能性。

未來，研究團隊計劃在沿海地區構建集成化的“綠色工廠”。一方面，依托電催化裝置持續從海水中捕獲二氧化碳并轉化為甲酸。另一方面，通過發酵罐中的工程菌將甲酸高效轉化為綠色塑料原料。隨著技術不斷優化與大規模應用，該研究將有效緩解海水酸化問題，構建“捕碳-產料-制品”一體化綠色產業鏈，真正實現“邊捕碳、邊產料”的可持續生產模式，為我國“藍色經濟”高質量發展注入強勁綠色動能。