生物制造，让二氧化碳变废为宝（瞰前沿）

蔡 韬

人工合成淀粉样品

可降解塑料餐具样品

微生物蛋白样品

利用人工途径从二氧化碳合成淀粉示意图。

中国科学院天津工业生物技术研究所人工合成淀粉研究中心实验室。 以上图片均为中国科学院天津工业生物技术研究所提供

网友：我最近看到新闻，研究人员在尝试直接捕集海水中的二氧化碳，并合成为可生物降解的塑料。这是不是属于“生物制造”的范畴？二氧化碳还能转化成什么？

编辑：没错，你提到的正是当前科技前沿热点——二氧化碳不仅是温室气体，更是潜在的“碳资源”。

“十五五”规划建议提出，“完善新型举国体制，采取超常规措施，全链条推动集成电路、工业母机、高端仪器、基础软件、先进材料、生物制造等重点领域关键核心技术攻关取得决定性突破。”二氧化碳的生物转化，是生物制造领域极具潜力的方向。二氧化碳是生物固定和转化的原料，是全球碳素循环的重要参与者，其转化的有机物支撑着整个食物链。通过生物技术，二氧化碳可以“变身”为淀粉、蛋白质、燃料乃至可降解塑料。

本期“瞰前沿”，我们邀请中国科学院天津工业生物技术研究所研究员蔡韬，介绍二氧化碳生物固定和转化研究领域的最新进展。

二氧化碳是温室气体，也是重要的生物制造原料

我们每时每刻都在呼出的二氧化碳，是生命代谢的产物，也是自然界碳循环的关键一环。这种看不见的气体，也是全球气候治理的焦点。

二氧化碳如同覆盖在地球表面的“保温被”，适量存在能将地球表面平均温度维持在15摄氏度左右，使生命繁衍成为可能。然而，工业革命以来，人类活动加剧，这床“被子”正在变得越来越厚。化石燃料燃烧、土地利用变化等导致大气中温室气体浓度持续攀升，全球气温不断升高，随之而来的是冰川加速消融、海平面上升、极端天气事件频发等一系列连锁反应。

面对这一严峻挑战，国际社会对碳中和愈加重视。减少排放是应对策略的一个方面。另一方面，如何将二氧化碳转化为有用的资源，变被动减排为主动利用？这是可持续发展的思路。

事实上，二氧化碳本身就是全球碳循环的重要参与者，是生物制造的第三代原料。在可再生能源驱动下，二氧化碳可通过生物转化技术，被赋予新的“生命”——变成淀粉、蛋白质、燃料乃至可降解塑料。这场“碳转化”实践，正在世界各地的实验室和工厂中悄然进行。

从模仿自然到人工创造，高效转化二氧化碳有了新路径

大自然本身就是二氧化碳转化的大师。约35亿年前，原始蓝藻就开始固定转化二氧化碳，为地球生命演化奠定基础。如今，地球上能转化利用二氧化碳的生物主要分为光能自养生物(如植物、藻类)和化能自养生物(如硝化细菌)。它们通过不同的固碳途径将二氧化碳转化为有机物，其中最为人熟知的是卡尔文循环——这一途径为人类提供了绝大部分的粮食和氧气，其发现者梅尔文·卡尔文于1961年获得诺贝尔化学奖。

然而，自然界的固碳系统并非完美。卡尔文循环中的关键酶在捕捉二氧化碳时缺乏“专一性”，经常误绑氧气分子，从而启动耗能的光呼吸过程，导致固碳效率降低。这就像是一个效率不高的生产线，需要不断进行补救操作。

为了提高二氧化碳的利用效率，科学家尝试对该固碳途径进行“升级改造”。在烟草中引入更高效的光呼吸替代途径，成功回收部分损失的二氧化碳；通过强化“光保护”机制减少对光合作用的抑制，这一策略在烟草和大豆中均验证成功；还有研究团队向植物中引入额外的二氧化碳固定途径，如在水稻中引入光呼吸替代途径，显著提高了碳固定效率和产量。

但真正的突破来自跳出自然局限，从头设计全新的人工固碳途径。2016年，德国科学家设计并组装了第一条自然界中不存在的固碳途径——CETCH循环，其固碳效率显著高于天然的卡尔文循环。2021年，科研人员成功创建了POAP循环，仅包含4步反应，是已知最短的固碳路径。2023年，德国团队进一步设计出THETA循环并将其成功“植入”大肠杆菌，迈出了将复杂人工固碳途径移入细胞内的第一步。这些突破为高效转化二氧化碳提供了全新路径，标志着从简单模仿自然迈向了自主设计的新阶段。

产业化路径逐渐清晰，推动生物固碳效率提升

目前，基础研究的突破催生一系列颠覆性应用，二氧化碳生物转化的产业化路径逐渐清晰。

2021年，中国科学院天津工业生物技术研究所联合大连化学物理研究所，在国际上首次实现不依赖植物光合作用的二氧化碳到淀粉的人工全合成。该途径通过化学催化与酶促反应相结合，将二氧化碳逐步合成为淀粉。与光伏和电解水产氢装置联用，该系统可以利用阳光、水和二氧化碳合成淀粉，其合成速率和理论能量转化效率均超过玉米等农作物。随后，该单位团队还于2023年实现了从二氧化碳到葡萄糖、甘露糖等多种糖类化合物的精准合成。

另一种思路则是改造微生物细胞作为“工厂”来生产淀粉。基于酵母这一“底盘”细胞，科学家们成功构建了可合成淀粉的细胞工厂。人工合成淀粉使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。

蛋白质是生命体不可或缺的营养成分。目前，全球的蛋白质供应虽仍以传统的动植物来源为主，但微生物蛋白质也崭露头角。它能够以二氧化碳或工业尾气为原料进行合成，具有“不与人争粮、不与粮争地”的独特优势。2024年，美国一公司宣布利用土壤细菌，通过气体发酵技术，将回收的二氧化碳转化为微生物蛋白。在我国，河北首朗新能源科技有限公司已成功开发出通过细菌发酵将工业尾气转化为饲料蛋白的技术。2025年，以二氧化碳为原料生产酵母蛋白的工业化装置在内蒙古成功投产。这些突破标志着从二氧化碳到蛋白质的工业化生产路径正逐步成为现实，为保障未来蛋白质供给、推动绿色低碳发展开辟了新方向。

除了合成淀粉、蛋白质等生物大分子，二氧化碳还能通过生物转化，用于生产各类化学品，为化工行业开辟低碳甚至负碳的新路径。

在生物燃料领域，二氧化碳生物转化的研究已取得多项概念验证。研究人员将电催化二氧化碳所得的乙酸利用酵母转化为脂肪酸、β—法尼烯等多碳分子，为绿色生物燃料的制备提供了新思路。

在生物可降解塑料领域，研究正朝着实现高效与规模化生产的目标推进。2025年，研究人员构建了“人工海洋碳循环系统”，直接捕集海水中的二氧化碳并将其合成为可完全生物降解的塑料，展示出了将海水转化为绿色材料的产业化可能性，同时为解决海洋酸化问题提供了新方案。

揭示二氧化碳生物转化的内在机制，突破天然固碳系统的速率与能量效率极限，是国际公认的重大前沿科学问题，受到全球学者的广泛关注。探索二氧化碳生物转化的新途径、新机制及新功能元件，不仅能揭示自然界未知的固碳代谢网络，拓展人类对生命代谢的认知，更能为人工设计高效固碳系统提供全新的理论基础与技术策略，从而推动生物固碳效率实现颠覆性提升。这一领域的探索，对最终实现碳达峰碳中和目标具有深远的科学价值与战略意义。未来，这些源自实验室的创新，有望重塑我们的物质生产模式，逐步构建起一个更加可持续的碳循环图景。

(作者为中国科学院天津工业生物技术研究所研究员，本报记者李家鼎采访整理)

《 人民日报 》( 2025年11月22日 06 版)