將深圳灣的海水變?yōu)榭山到馑芰?？是的，這一幕真實(shí)地發(fā)生在中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)和電子科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)的科研合作中。

當(dāng)然，海水并不是一下子變?yōu)樗芰?，而是?jīng)歷了從海水中捕獲二氧化碳、使用電催化生成甲酸、用海洋微生物需鈉弧菌產(chǎn)出丁二酸、再把丁二酸和丁二醇連接在一起形成分子鏈，隨后即可得到一種像纖維一樣的白色固體——可生物降解塑料 PBS（Poly（butylene succinate））。也許有一天，我們的手機(jī)殼、超市里的包裝袋都將能用上這種塑料。

（來源：資料圖）

(相關(guān)資料圖)

這一成果也得到了同行的認(rèn)可，美國加州理工學(xué)院化學(xué)物理和材料科學(xué)專家、直接海洋捕獲公司 Captura 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Xiang Chengxiang 評(píng)論道：“這是首個(gè)展示從海洋二氧化碳到可被用于生物塑料的原料的演示。”

日前，相關(guān)論文發(fā)表于 Nature Catalysis。論文共同通訊作者、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員高翔告訴 DeepTech：“總的來說，我們首次建立并驗(yàn)證了一個(gè)從海水碳捕獲開始、到碳還原、最終將碳轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品的全鏈條、人工的海洋碳循環(huán)模式。”

圖 | 高翔和夏川（來源：資料圖）

海洋不只是水，也是“碳的海洋”

海洋其實(shí)還有一個(gè)隱藏的超級(jí)身份，它是地球最大的“碳倉庫”。對(duì)于人類帶來的二氧化碳這一溫室氣體，一直以來海洋都像是一位沉默的救星，它張開懷抱默默地吸收了人為排放超過四分之一的二氧化碳。

這些被吸收的碳溶解在海水中之后，變成了一種叫做溶解無機(jī)碳的東西，海洋里的溶解無機(jī)碳是大氣中的一百多倍。但是，就像人吃多了會(huì)不舒服一樣，海洋吃了太多的碳也會(huì)不舒服。

二氧化碳溶解在水里會(huì)變成碳酸，海水也會(huì)因此慢慢變酸，這就是海洋酸化。海洋一酸，珊瑚會(huì)失去顏色，貝殼里動(dòng)物的外殼會(huì)變得又薄又脆，以至于整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡被打破。

無論是中國還是其他國家，沿海地帶通常是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，開發(fā)活動(dòng)頻繁例如深圳灣很多地方是填海而成，這種開發(fā)會(huì)破壞天然的藍(lán)碳系統(tǒng)，加之氣候變化和海洋酸化本身，問題就更加嚴(yán)峻。

高翔和夏川等人所思考的是：既然海洋里有這么多的碳，那么能否撈出來這些碳做成有用的東西？這樣一來，既能為海洋減負(fù)，還能變廢為寶。

捕捉隱形碳

可是，如何才能把溶解在海水里的看不見的碳給撈出來？這就像從一碗清湯里把鹽挑出來一樣困難。為此，夏川等人發(fā)明了一種名為電化學(xué)海洋直接捕碳（eDOC，Electrochemical Direct Ocean Capture）的裝置，能夠起到碳過濾機(jī)的作用。

此前的碳過濾機(jī)有個(gè)大毛病：海水有很多鈣和鎂離子也就是讓水產(chǎn)生水垢的東西，它們?cè)跈C(jī)器里會(huì)變成白色的沉底，將堵塞水管的水垢一樣，把機(jī)器的管道和薄膜堵得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)。結(jié)果就是，機(jī)器才開動(dòng)幾天就罷工了。

為此，作為本次研究的合作方之一，電子科技大學(xué)教授夏川團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一臺(tái)擁有五個(gè)反應(yīng)室的機(jī)器。這臺(tái)機(jī)器的設(shè)計(jì)非常巧妙：它用了一種叫做固態(tài)電解質(zhì)的特殊材料，讓電流傳導(dǎo)更順暢，就像給機(jī)器修了一條電子高速公路；它還使用特殊的薄膜把海水和內(nèi)部反應(yīng)區(qū)完全隔開，讓海水里的水垢離子根本進(jìn)不來，從根源上解決了堵塞問題。

這臺(tái)新機(jī)器可以連續(xù)不停地工作 536 個(gè)小時(shí)，即能連續(xù)工作 22 天以上。它能從天然海水中捕獲 70% 以上的碳，每捕獲 1 公斤的二氧化碳，只需要大約 3 度電，能量大約相當(dāng)于讓游戲機(jī)連續(xù)工作幾十個(gè)小時(shí)，成本比以前的方法低了很多。

在這 22 天里，這臺(tái)小小的機(jī)器從大約 177 升海水（約為一輛小汽車油箱的容量）里，撈出了大約 6.54 升純凈的二氧化碳?xì)怏w。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41929-025-01416-4）

催化劑奇跡：點(diǎn)氣成酸

捕獲到二氧化碳?xì)怏w之后，很難進(jìn)行直接利用。于是，夏川等人把二氧化碳?xì)怏w變?yōu)榱艘簯B(tài)甲酸。甲酸其實(shí)是很多人類都曾接觸過的東西。螞蟻的身體里就有甲酸，所以當(dāng)被螞蟻咬到時(shí)，那種癢感就是甲酸在起作用。

而甲酸還有一個(gè)更重要的身份，它其實(shí)也是微生物最愛的“能量飲料”。要把二氧化碳變成甲酸，需要催化劑這樣一個(gè)得力助手。為此，他們發(fā)明出了名為 Bi-BEN 的催化劑，它的核心是一種名為鉍的金屬，這種金屬對(duì)于制造甲酸可謂是情有獨(dú)鐘。

更酷的是，他們從石榴和草莓等天然植物種提取了鞣花酸，將其用來包裹和修飾鉍金屬，借此給催化劑穿上了一件天然的堅(jiān)固鎧甲，從而讓催化劑變得超級(jí)穩(wěn)定，即便長(zhǎng)時(shí)間工作也不會(huì)累。它還能讓催化劑的效率變得極高，從而能夠精準(zhǔn)地把二氧化碳變?yōu)榧姿帷?/p>

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Bi-BEN 催化劑能在極高的電流之下，以 96% 的超高效率生產(chǎn)甲酸，并在連續(xù)穩(wěn)定工作 23 個(gè)小時(shí)之后性能仍無下降。但是，由此生產(chǎn)出來的甲酸溶液混有其他電解質(zhì)鹽并不適合直接給微生物“喝”。

于是，他們使用固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器直接生產(chǎn)出了純凈如水的甲酸溶液，一點(diǎn)雜質(zhì)都沒有，這樣微生物就能享用了。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41929-025-01416-4）

使用繁殖最快的細(xì)菌打造微生物工廠

當(dāng)原料準(zhǔn)備好之后，微生物便開始登場(chǎng)。他們使用了一種名為需鈉弧菌的海洋細(xì)菌，該細(xì)菌是地球上目前發(fā)現(xiàn)的生長(zhǎng)最快的細(xì)菌，繁殖一代只需 10 分鐘。

不過，需鈉弧菌雖然長(zhǎng)得快，但并不適合把甲酸當(dāng)做食物來吃。為此，高翔等人對(duì)其進(jìn)行了一次基因改造。他們給需鈉弧菌安裝了三個(gè)代謝工具也就是三種特殊的酶。

第一種酶是甲酸-THF 連接酶，它負(fù)責(zé)把甲酸分子請(qǐng)進(jìn)門，后兩種酶是亞甲基-THF 環(huán)化水解酶和亞甲基-THF 脫氫酶，它們負(fù)責(zé)在細(xì)胞內(nèi)對(duì)甲酸進(jìn)行加工處理。

安裝了新工具之后的需鈉弧菌，獲得了一個(gè)全新的超級(jí)消化系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的名字叫做四氫葉酸循環(huán)通路。至此，需鈉弧菌終于可以放心地把甲酸作為食物來源了。

吃完甲酸之后，需鈉弧菌造出了一種名為琥珀酸的物質(zhì)。琥珀酸在化工界可謂是赫赫有名，它是制造一種名為聚丁二酸丁二醇酯的可生物降解塑料的關(guān)鍵原料，其縮寫叫做 PBS。

研究中，高翔等人將這支改造菌隊(duì)命名為 XG251，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示它們能以甲酸為食物，并能夠大量地生產(chǎn)琥珀酸。在實(shí)驗(yàn)室的小瓶子里，產(chǎn)量達(dá)到每升 1.13 克。當(dāng)把產(chǎn)生規(guī)模擴(kuò)大到 5 升的大發(fā)酵罐的時(shí)候，產(chǎn)量更是達(dá)到驚人的每升 1.37 克。

說明這個(gè)微生物工廠不僅有效，而且具備放大生產(chǎn)的能力?！斑@在生物制造中至關(guān)重要，因?yàn)橹挥性诳煽氐陌l(fā)酵罐中驗(yàn)證，才能證明該工藝具備未來產(chǎn)業(yè)化的潛力。”高翔表示。而在未來，完全可以使用更大的發(fā)酵罐就像釀酒一樣來大規(guī)模地生產(chǎn)這種環(huán)保塑料的原料。

并不局限于生產(chǎn)環(huán)保塑料

這項(xiàng)技術(shù)主要有以下幾個(gè)潛在方向：

首要的應(yīng)用是致力于解決海洋酸化這一緊迫的環(huán)境問題，通過從海水中移除二氧化碳來緩解其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響。

其次是服務(wù)于“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”，發(fā)展負(fù)碳生物制造，將海水中的碳資源轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)物。目前，本次成果示范的產(chǎn)品是環(huán)保塑料，但未來產(chǎn)品譜系可以得到大幅拓展。例如，可以生產(chǎn)如法尼烯這類航空用的高能量密度生物燃料。

比如，利用海上豐富的風(fēng)力發(fā)電（這種電力往往難以儲(chǔ)存），通過電化學(xué)技術(shù)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸等中間體，再借助合成生物學(xué)將其最終轉(zhuǎn)化為有用的物品。這意味著，利用海水和電力，通過電化學(xué)與生物制造的結(jié)合，可以生產(chǎn)出包括環(huán)保塑料和生物能源在內(nèi)的多種產(chǎn)品。

再長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，甚至可以將發(fā)酵后的微生物菌體加工成蛋白飼料，用于水產(chǎn)養(yǎng)殖（如養(yǎng)蝦、養(yǎng)魚、養(yǎng)扇貝等），為海上人工漁場(chǎng)提供飼料來源。

（來源：https://mp.weixin.qq.com/s/KhgqoY4LJvNOiXPtJ56CSQ）

眼下，本次系統(tǒng)的產(chǎn)能還比較低。因此，夏川和高翔將圍繞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面升級(jí)，這包括電化學(xué)和合成生物學(xué)兩個(gè)部分。

首要任務(wù)是提升從二氧化碳到最終產(chǎn)品的整體效率即降本增效。其次是拓展產(chǎn)品范圍，未來將不再局限于生產(chǎn)環(huán)保塑料，而是致力于開發(fā)更多元化的高價(jià)值產(chǎn)品。

參考資料：

相關(guān)論文 https://www.nature.com/articles/s41929-025-01416-4

運(yùn)營/排版：何晨龍