深圳湾海水“变”环保塑料！科学家首创海洋人工碳循环系统

将深圳湾的海水变为可降解塑料？是的，这一幕真实地发生在中国科学院深圳先进技术研究院团队和电子科技大学团队的科研合作中。

当然，海水并不是一下子变为塑料，而是经历了从海水中捕获二氧化碳、使用电催化生成甲酸、用海洋微生物需钠弧菌产出丁二酸、再把丁二酸和丁二醇连接在一起形成分子链，随后即可得到一种像纤维一样的白色固体——可生物降解塑料 PBS（Poly（butylene succinate））。也许有一天，我们的手机壳、超市里的包装袋都将能用上这种塑料。

（来源：资料图）

这一成果也得到了同行的认可，美国加州理工学院化学物理和材料科学专家、直接海洋捕获公司 Captura 的联合创始人兼首席技术官 Xiang Chengxiang 评论道：“这是首个展示从海洋二氧化碳到可被用于生物塑料的原料的演示。”

日前，相关论文发表于 Nature Catalysis。论文共同通讯作者、中国科学院深圳先进技术研究院副研究员高翔告诉 DeepTech：“总的来说，我们首次建立并验证了一个从海水碳捕获开始、到碳还原、最终将碳转化为有用产品的全链条、人工的海洋碳循环模式。”

图 | 高翔和夏川（来源：资料图）

海洋不只是水，也是“碳的海洋”

海洋其实还有一个隐藏的超级身份，它是地球最大的“碳仓库”。对于人类带来的二氧化碳这一温室气体，一直以来海洋都像是一位沉默的救星，它张开怀抱默默地吸收了人为排放超过四分之一的二氧化碳。

这些被吸收的碳溶解在海水中之后，变成了一种叫做溶解无机碳的东西，海洋里的溶解无机碳是大气中的一百多倍。但是，就像人吃多了会不舒服一样，海洋吃了太多的碳也会不舒服。

二氧化碳溶解在水里会变成碳酸，海水也会因此慢慢变酸，这就是海洋酸化。海洋一酸，珊瑚会失去颜色，贝壳里动物的外壳会变得又薄又脆，以至于整个海洋生态系统的平衡被打破。

无论是中国还是其他国家，沿海地带通常是经济发达地区，开发活动频繁例如深圳湾很多地方是填海而成，这种开发会破坏天然的蓝碳系统，加之气候变化和海洋酸化本身，问题就更加严峻。

高翔和夏川等人所思考的是：既然海洋里有这么多的碳，那么能否捞出来这些碳做成有用的东西？这样一来，既能为海洋减负，还能变废为宝。

捕捉隐形碳

可是，如何才能把溶解在海水里的看不见的碳给捞出来？这就像从一碗清汤里把盐挑出来一样困难。为此，夏川等人发明了一种名为电化学海洋直接捕碳（eDOC，Electrochemical Direct Ocean Capture）的装置，能够起到碳过滤机的作用。

此前的碳过滤机有个大毛病：海水有很多钙和镁离子也就是让水产生水垢的东西，它们在机器里会变成白色的沉底，将堵塞水管的水垢一样，把机器的管道和薄膜堵得严严实实。结果就是，机器才开动几天就罢工了。

为此，作为本次研究的合作方之一，电子科技大学教授夏川团队设计出一台拥有五个反应室的机器。这台机器的设计非常巧妙：它用了一种叫做固态电解质的特殊材料，让电流传导更顺畅，就像给机器修了一条电子高速公路；它还使用特殊的薄膜把海水和内部反应区完全隔开，让海水里的水垢离子根本进不来，从根源上解决了堵塞问题。

这台新机器可以连续不停地工作 536 个小时，即能连续工作 22 天以上。它能从天然海水中捕获 70% 以上的碳，每捕获 1 公斤的二氧化碳，只需要大约 3 度电，能量大约相当于让游戏机连续工作几十个小时，成本比以前的方法低了很多。

在这 22 天里，这台小小的机器从大约 177 升海水（约为一辆小汽车油箱的容量）里，捞出了大约 6.54 升纯净的二氧化碳气体。

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

催化剂奇迹：点气成酸

捕获到二氧化碳气体之后，很难进行直接利用。于是，夏川等人把二氧化碳气体变为了液态甲酸。甲酸其实是很多人类都曾接触过的东西。蚂蚁的身体里就有甲酸，所以当被蚂蚁咬到时，那种痒感就是甲酸在起作用。

而甲酸还有一个更重要的身份，它其实也是微生物最爱的“能量饮料”。要把二氧化碳变成甲酸，需要催化剂这样一个得力助手。为此，他们发明出了名为 Bi-BEN 的催化剂，它的核心是一种名为铋的金属，这种金属对于制造甲酸可谓是情有独钟。

更酷的是，他们从石榴和草莓等天然植物种提取了鞣花酸，将其用来包裹和修饰铋金属，借此给催化剂穿上了一件天然的坚固铠甲，从而让催化剂变得超级稳定，即便长时间工作也不会累。它还能让催化剂的效率变得极高，从而能够精准地把二氧化碳变为甲酸。

实验结果显示，Bi-BEN 催化剂能在极高的电流之下，以 96% 的超高效率生产甲酸，并在连续稳定工作 23 个小时之后性能仍无下降。但是，由此生产出来的甲酸溶液混有其他电解质盐并不适合直接给微生物“喝”。

于是，他们使用固态电解质反应器直接生产出了纯净如水的甲酸溶液，一点杂质都没有，这样微生物就能享用了。

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

使用繁殖最快的细菌打造微生物工厂

当原料准备好之后，微生物便开始登场。他们使用了一种名为需钠弧菌的海洋细菌，该细菌是地球上目前发现的生长最快的细菌，繁殖一代只需 10 分钟。

不过，需钠弧菌虽然长得快，但并不适合把甲酸当做食物来吃。为此，高翔等人对其进行了一次基因改造。他们给需钠弧菌安装了三个代谢工具也就是三种特殊的酶。

第一种酶是甲酸-THF 连接酶，它负责把甲酸分子请进门，后两种酶是亚甲基-THF 环化水解酶和亚甲基-THF 脱氢酶，它们负责在细胞内对甲酸进行加工处理。

安装了新工具之后的需钠弧菌，获得了一个全新的超级消化系统，这个系统的名字叫做四氢叶酸循环通路。至此，需钠弧菌终于可以放心地把甲酸作为食物来源了。

吃完甲酸之后，需钠弧菌造出了一种名为琥珀酸的物质。琥珀酸在化工界可谓是赫赫有名，它是制造一种名为聚丁二酸丁二醇酯的可生物降解塑料的关键原料，其缩写叫做 PBS。

研究中，高翔等人将这支改造菌队命名为 XG251，实验结果显示它们能以甲酸为食物，并能够大量地生产琥珀酸。在实验室的小瓶子里，产量达到每升 1.13 克。当把产生规模扩大到 5 升的大发酵罐的时候，产量更是达到惊人的每升 1.37 克。

说明这个微生物工厂不仅有效，而且具备放大生产的能力。“这在生物制造中至关重要，因为只有在可控的发酵罐中验证，才能证明该工艺具备未来产业化的潜力。”高翔表示。而在未来，完全可以使用更大的发酵罐就像酿酒一样来大规模地生产这种环保塑料的原料。

并不局限于生产环保塑料

这项技术主要有以下几个潜在方向：

首要的应用是致力于解决海洋酸化这一紧迫的环境问题，通过从海水中移除二氧化碳来缓解其对生态系统的负面影响。

其次是服务于“蓝色经济”，发展负碳生物制造，将海水中的碳资源转化为有价值的产物。目前，本次成果示范的产品是环保塑料，但未来产品谱系可以得到大幅拓展。例如，可以生产如法尼烯这类航空用的高能量密度生物燃料。

比如，利用海上丰富的风力发电（这种电力往往难以储存），通过电化学技术将二氧化碳转化为甲酸等中间体，再借助合成生物学将其最终转化为有用的物品。这意味着，利用海水和电力，通过电化学与生物制造的结合，可以生产出包括环保塑料和生物能源在内的多种产品。

再长远来看，甚至可以将发酵后的微生物菌体加工成蛋白饲料，用于水产养殖（如养虾、养鱼、养扇贝等），为海上人工渔场提供饲料来源。

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

眼下，本次系统的产能还比较低。因此，夏川和高翔将围绕对整个系统进行全面升级，这包括电化学和合成生物学两个部分。

首要任务是提升从二氧化碳到最终产品的整体效率即降本增效。其次是拓展产品范围，未来将不再局限于生产环保塑料，而是致力于开发更多元化的高价值产品。

参考资料：

相关论文 https://www.nature.com/articles/s41929-025-01416-4

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