科学家打造新装置：从海洋提取碳源，转化为可再生塑料

世界的海洋是地球上最大的碳汇，储存的碳量约为大气中的140倍。但海洋正达到它们的极限。海洋吸收的碳越多，就越酸，我们正处于一个关键点。

如果我们能把一些碳拿出来，并实际做一些有用的事情呢？

一组研究人员建造了一台正是这样工作的机器。他们的三部分系统直接从海水中抽取二氧化碳，并通过特别设计的微生物逐步将其转化为可降解的塑料原料。海水进入，环保材料的基础材料随之而出。

一个耐用的碳捕获系统

第一个挑战：如何从海水中获取碳。虽然直接空气捕获（DAC）引起了关注，但海水实际上以更容易获取的形式储存了更多的碳。问题在于，去碳的电化学系统往往由于钙和镁等矿物质从溶液中沉淀并形成水垢而迅速堵塞和失效——就像水壶中的水垢一样。

早期版本的这项技术通常持续时间不超过几个小时。有些甚至在90分钟内就停止工作了。

在中国电子科技大学和深圳先进技术研究院的科学家的带领下，团队直接面对这个问题。他们的突破是一个完全重新设计的电解系统，基于固态电解质。这个系统使用膜和固体核心来隔离问题离子，而不是让海水直接接触敏感组件，同时仍然能进行化学反应。

这个巧妙的设计使海水酸化，迫使溶解的碳（主要以碳酸氢根和碳酸根离子形式存在）转化为二氧化碳气体——然后可以收集。

而且这个装置的效果很好。该设备连续运行了536小时（超过22天），处理了来自深圳湾的177升海水，提取了6.54升纯二氧化碳。它每提取一公斤二氧化碳仅使用了3千瓦时的电力——效率非常高。

利用细菌制造塑料

但捕获二氧化碳只是完成这项工作的第一步。团队的目标是将其转化为有用的物质，特别是琥珀酸，这是一种制造可生物降解塑料的关键成分。同样的化合物还可以用于制造各种药物和其他产品。

这个过程分为两个步骤。

首先，研究人员将捕获的二氧化碳转化为一种更具生物友好的分子——甲酸。这种简单的单碳分子被蚂蚁和其他昆虫用作防御手段。它还是许多微生物的美味食物。为了实现这种转化，他们开发了一种新型催化剂，能够以超过90%的选择性将二氧化碳转化为甲酸，即使在工业应用所需的高速下也能高效进行。

在盛大的终章中，团队转向了生物学。他们招募了Vibrio natriegens，一种在地球上已知生长速度最快的海洋细菌。这种生长速度使它成为生物制造工厂的理想载体。然而，野生细菌不能仅靠甲酸生存。因此，科学家们成为了微生物培养师。他们对细菌进行了基因编辑，以调整其代谢，给它提供一个有效的途径，使其能够将甲酸作为唯一的碳和能量来源。

然后，他们将纯净的海洋甲酸喂给这个新工程化的菌株。

结果非常成功。细菌茁壮成长，尽情吸收甲酸，并通过其自然代谢过程将其转化为琥珀酸（succinic acid）。研究人员随后利用琥珀酸制造高质量的塑料。

这可以扩展吗？

这个系统令人兴奋，因为它是净负的：它从海洋中去除多余的CO₂，将其转化为有用的物质，并使海洋能够吸收更多来自空气的二氧化碳。这是一个闭环，能够帮助重新平衡海洋化学和我们的碳排放。

然而，规模化始终是一个重要问题。

这项技术听起来几乎太过于未来，令人难以置信。然而，研究人员表示这是可行的。

当研究人员将规模从桌面烧瓶扩大到五升的生物反应器时，产量得到了提升。系统的每个组件都展现了显著的可扩展性，逐步克服了之前的技术障碍。碳捕集反应器的耐用性有待提高，但最终，这种方法在经济上可能会有竞争力。

一项技术经济分析显示，捕集成本大约为每吨230美元，这个数字可能已经与其他碳捕集技术相当。在一项相关研究中，斯坦福大学的研究人员将二氧化碳的成本估算为每吨220美元（不过更保守的估计接近50美元）。而且，这个数字只是碳的成本，没有考虑到产品的额外收益。

从这个实验室的成功到全球沿海循环利用工厂的道路漫长。但这个愿景充满希望。这是一个美好的未来愿景，我们用那些威胁我们的污染来清洁海洋，建设我们的世界。