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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，海水持續吸收二氧化碳引發的海洋酸化，對海洋生態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，是實現“藍色經濟”與“雙碳”目標必須面對的共同課題。

不久前，中國科學院深圳先進技術研究院副研究員高翔團隊聯合電子科技大學教授夏川團隊，首次提出并驗證了一種基于“電催化+生物催化”耦合策略的“人工海洋碳循環系統”。相關成果發表在國際學術期刊《自然·催化》上。

該系統可捕集天然海水中的二氧化碳，并將其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，構建了一個從“海水吸碳”到“材料單體分子產出”的完整鏈條，首次打通了海水碳捕集與下游生物轉化的關鍵環節。

成功破解高效海水碳捕集難題

從海水中實現高效碳捕集，是該研究的第一個關鍵點。

據了解，因受到天然海水中存在的鈣鎂離子影響，傳統技術方法會出現膜溶脹失效，電極污染等，二氧化碳的連續捕集通常不超過10小時。

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

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

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化為甲酸。

夏川說，該成果緊密圍繞國家“雙碳”目標和“藍色經濟”發展需求，開拓了海洋碳匯資源化利用的新路徑。不僅為應對氣候變化提供了新方案，也為綠色低碳新材料產業發展奠定了關鍵技術基礎，推動了海洋碳資源的高值化利用。

用工程菌“吃”甲酸“吐”塑料

研究的第二個關鍵點，是將甲酸溶液轉化為生物基化學品，以替代化石工業來源的化學品。

據了解，高翔團隊利用合成生物學的方法，構建了一種能夠高效利用甲酸、并將其轉化為塑料單體的“微生物細胞工廠”。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，通過合成生物學結合實驗室適應性進化手段，對其代謝系統進行重構，成功改造出能耐受高濃度甲酸、并高效利用甲酸“工程菌”。該工程菌能夠將甲酸定向地轉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。

為了驗證整個系統的碳流向和產業可行性，高翔團隊通過穩定碳同位素（13C）標記實驗，證實了琥珀酸分子中的碳原子來自最初捕獲的二氧化碳。而實驗中乳酸的產生，也為拓展可降解塑料的多樣性提供了新的可能。

從生態意義上看，這項研究完整地構建了一條從海洋二氧化碳到可降解生物材料的全新、可持續的轉化途徑，為實現碳中和、減少化石資源依賴及應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，展示出了將海水中二氧化碳轉化為綠色材料的產業化前景。

研究人員指出，未來，電化學+合成生物學的“人工海洋碳循環系統”，有望演變為一個多元化的產品譜系。

例如，在材料領域，該系統除了生產吸管，還能生產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業地膜；在日用化工領域，該系統可以生產綠色表面活性劑，用于制造不含磷、氮的環保型洗滌劑，從而減輕江河湖泊的富營養化；在食品與醫藥行業，該系統可潛在合成高價值的營養強化劑或藥物中間體，實現從二氧化碳到高端產品的跨越式升級。

高翔說：“我們希望把海洋豐富的碳資源轉化為綠色高價值產品，以此實現碳減排、資源利用和產業升級的多重目標。”

未來，高翔團隊和夏川團隊計劃在沿海地區構建集成化的“綠色工廠”。一方面，依托新型電化學碳捕集裝置，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。隨著相關技術的不斷優化與大規模應用，該研究成果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，為我國“藍色經濟”高質量發展注入綠色動能。