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。
澎湃新闻记者获悉，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”，相关成果发表在国际学术期刊《自然·催化》。
电催化+生物催化的集成系统。
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。
据介绍，研究的首个关键环节由夏川团队负责，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过500小时，二氧化碳捕碳效率高达70%以上，还可同步副产氢气。在经济性方面，每捕集一吨二氧化碳的成本约为229.9美元。
此外，研究团队通过两步法成功研制出了高活性、高甲酸选择性的铋基催化剂（Bi-BEN），借助电催化将捕获的二氧化碳高效转化为甲酸，并经放大电解系统连续稳定运行20天，持续获得高浓度纯甲酸溶液。
研究的第二个关键环节，由高翔团队主导，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。
需要注意的是，尽管甲酸来源广泛，但其生物毒性导致大多数微生物难以高效利用。针对这一难题，高翔团队构建了一种能够高效利用甲酸、并将其转化为塑料单体的“超级细胞”。
研究团队选择了生长速率极快的海洋需纳弧菌（Vibrio natriegens）作为底盘细胞，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。
研究人员指出，PBS、PLA只是这一生物制造平台的示范案例，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。
值得关注的是，未来，研究团队计划在沿海地区构建集成化的“绿色工厂”。一方面，依托电催化装置持续从海水中捕获二氧化碳并转化为甲酸。另一方面，通过发酵罐中的工程菌将甲酸高效转化为绿色塑料原料。
研究团队认为，随着技术不断优化与大规模应用，该研究将有效缓解海水酸化问题，构建“捕碳-产料-制品”一体化绿色产业链，真正实现“边捕碳、边产料”的可持续生产模式，为我国“蓝色经济”高质量发展注入强劲绿色动能。
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