电子科技大学国家级青年人才携手深圳先研院中科院百人Nat Catal-合成生物学-高效可扩展的海洋碳源升级回收为生物塑料单体

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一、中文标题

高效可扩展的海洋碳源升级回收为生物塑料单体（Efficient and scalable upcycling of oceanic carbon sources into bioplastic monomers）

二、发表单位及通讯作者

• 发表单位：电子科技大学、中国科学院深圳先进技术研究院、南京大学等

• 通讯作者：Xiang Gao（gaoxiang@siat.ac.cn）Chuan Xia（chuan.xia@uestc.edu.cn）

三、科学问题

如何从海洋中高效、稳定地捕获二氧化碳，并将其转化为具有工业价值的生物塑料单体，实现负碳排放与循环碳经济？

四、发表时间

时间：2025年10月6日

链接：https://doi.org/10.1038/s41929-025-01416-4

五、摘要

       本文提出了一种集电化学捕获与生物催化于一体的海洋碳回收系统，旨在将海洋溶解无机碳转化为生物塑料单体。系统采用固态电解质反应器，在低浓度溶解无机碳条件下，实现高效率（>70%）、低能耗（3 kWh/kg CO₂）且稳定（连续运行536小时）的CO₂捕获。通过高效铋基催化剂将捕获的CO₂电催化转化为纯甲酸，并利用工程化海洋细菌Vibrio natriegens将其进一步转化为琥珀酸（产量达1.37 g/L）。该系统展示了从海洋碳汇中可持续生产生物塑料前体的可行路径，为碳中和与海洋碳资源化利用提供了新策略。

六、研究背景

        全球碳排放持续增加，已对气候与海洋生态系统造成严重影响。海洋作为地球最大的碳汇，每年吸收约26%的人为CO₂排放，其碳储量约为大气的140倍。然而，过度CO₂输入导致海洋酸化，破坏生态平衡，且海洋碳汇存在“反弹效应”风险，即已固定的碳可能重新释放。因此，开发高效、稳定的海洋碳捕获与资源化技术，对于实现负碳排放和推动循环碳经济至关重要。

        传统电化学直接海洋捕获技术存在膜污染、电极退化、盐沉淀等问题，导致系统稳定性差（仅能连续运行数小时），且常依赖软化海水，限制了其实际应用与规模化。此外，捕获后的CO₂转化效率低、产物选择性差，难以与下游生物制造系统有效耦合。因此，亟需开发一种集成高效捕获、稳定转化与生物利用于一体的海洋碳回收系统，以实现从海洋到高值化学品的可持续转化路径。

七、研究结果

结果1、海洋CO₂的高效捕获

       研究团队设计了一种基于固态电解质的电化学直接海洋捕获系统，成功解决了传统双极膜电渗析系统中存在的膜污染、盐沉淀等问题。该系统在自然海水（DIC浓度约2.16 mM）中实现了>70%的CO₂捕获效率，能耗仅为3 kWh/kg CO₂，且连续稳定运行536小时，累计从177升海水中提取6.54升纯CO₂。技术经济分析表明，其捕获成本约为229.9美元/吨CO₂，具备较强竞争力。

图1 海洋碳捕获

图2 电催化合成甲酸

结果2、CO₂电催化

       采用铋-鞣花酸金属有机框架催化剂（Bi-BEN），在流动池中实现了高效CO₂电还原为甲酸。该催化剂在-1.37 V vs. RHE下实现720 mA/cm²的甲酸分电流密度，法拉第效率超过90%，并在200 mA/cm²下连续运行23小时未出现性能衰减。通过固态电解质反应器，进一步实现了纯甲酸溶液的连续生产，在480小时内稳定产出约20.16升、浓度0.45 M的甲酸溶液。

图3 结构表征

图4 性能研究

结果3、甲酸微生物发酵制备琥珀酸

        利用工程化的海洋细菌Vibrio natriegens（菌株XG251），构建了基于四氢叶酸循环的甲酸同化途径，实现了以甲酸为唯一碳源的琥珀酸合成。在5升发酵罐中，琥珀酸产量达1.37 g/L，转化率为0.15 g琥珀酸/g甲酸。同位素标记实验证实，琥珀酸碳源主要来自甲酸代谢，证明了系统的碳追踪闭环性。成功将CO₂捕获、电催化转化与微生物发酵三个模块集成，实现了从海水CO₂到生物塑料单体琥珀酸的连续生产。进一步以生物基琥珀酸为前体，通过缩聚反应成功合成了聚丁二酸丁二醇酯，验证了其在生物塑料制造中的直接替代潜力。

图5 电催化合成琥珀酸

图6 二氧化碳合成甲酸用于琥珀酸生产

八、讨论

      本研究通过电-生物催化耦合系统，成功实现了海洋碳资源向生物塑料单体的高效转化，展示了海洋碳汇在碳中和与绿色制造中的巨大潜力。系统在捕获效率、稳定性和产物选择性方面均表现出显著优势，尤其解决了传统eDOC技术中的稳定性瓶颈。未来可通过优化催化剂设计、提升微生物代谢效率、系统规模化集成等途径，进一步提高经济性与实用性。该研究为海洋负排放技术提供了新范式，有望推动基于海洋碳资源的生物制造产业发展，助力实现可持续的循环碳经济。