近日，《人民日?qǐng)?bào)》刊發(fā)《生物制造，讓二氧化碳變廢為寶》，報(bào)道了二氧化碳作為生物制造原料的轉(zhuǎn)化價(jià)值，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所實(shí)現(xiàn)其到淀粉、糖類等的合成突破，人工固碳與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展助力雙碳目標(biāo)與可持續(xù)發(fā)展。

人工合成淀粉樣品

可降解塑料餐具樣品

微生物蛋白樣品

利用人工途徑從二氧化碳合成淀粉示意圖。

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所人工合成淀粉研究中心實(shí)驗(yàn)室。

以上圖片均為中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所提供

網(wǎng)友：我最近看到新聞，研究人員在嘗試直接捕集海水中的二氧化碳，并合成為可生物降解的塑料。這是不是屬于“生物制造”的范疇？二氧化碳還能轉(zhuǎn)化成什么？

編輯：沒錯(cuò)，你提到的正是當(dāng)前科技前沿?zé)狳c(diǎn)——二氧化碳不僅是溫室氣體，更是潛在的“碳資源”。

“十五五”規(guī)劃建議提出，“完善新型舉國體制，采取超常規(guī)措施，全鏈條推動(dòng)集成電路、工業(yè)母機(jī)、高端儀器、基礎(chǔ)軟件、先進(jìn)材料、生物制造等重點(diǎn)領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)取得決定性突破?！倍趸嫉纳镛D(zhuǎn)化，是生物制造領(lǐng)域極具潛力的方向。二氧化碳是生物固定和轉(zhuǎn)化的原料，是全球碳素循環(huán)的重要參與者，其轉(zhuǎn)化的有機(jī)物支撐著整個(gè)食物鏈。通過生物技術(shù)，二氧化碳可以“變身”為淀粉、蛋白質(zhì)、燃料乃至可降解塑料。

本期“瞰前沿”，我們邀請(qǐng)中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員蔡韜，介紹二氧化碳生物固定和轉(zhuǎn)化研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

二氧化碳是溫室氣體

也是重要的生物制造原料

我們每時(shí)每刻都在呼出的二氧化碳，是生命代謝的產(chǎn)物，也是自然界碳循環(huán)的關(guān)鍵一環(huán)。這種看不見的氣體，也是全球氣候治理的焦點(diǎn)。

二氧化碳如同覆蓋在地球表面的“保溫被”，適量存在能將地球表面平均溫度維持在15攝氏度左右，使生命繁衍成為可能。然而，工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)加劇，這床“被子”正在變得越來越厚?；剂先紵?、土地利用變化等導(dǎo)致大氣中溫室氣體濃度持續(xù)攀升，全球氣溫不斷升高，隨之而來的是冰川加速消融、海平面上升、極端天氣事件頻發(fā)等一系列連鎖反應(yīng)。

面對(duì)這一嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，國際社會(huì)對(duì)碳中和愈加重視。減少排放是應(yīng)對(duì)策略的一個(gè)方面。另一方面，如何將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的資源，變被動(dòng)減排為主動(dòng)利用？這是可持續(xù)發(fā)展的思路。

事實(shí)上，二氧化碳本身就是全球碳循環(huán)的重要參與者，是生物制造的第三代原料。在可再生能源驅(qū)動(dòng)下，二氧化碳可通過生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，被賦予新的“生命”——變成淀粉、蛋白質(zhì)、燃料乃至可降解塑料。這場“碳轉(zhuǎn)化”實(shí)踐，正在世界各地的實(shí)驗(yàn)室和工廠中悄然進(jìn)行。

從模仿自然到人工創(chuàng)造，高效轉(zhuǎn)化二氧化碳有了新路徑

大自然本身就是二氧化碳轉(zhuǎn)化的大師。約35億年前，原始藍(lán)藻就開始固定轉(zhuǎn)化二氧化碳，為地球生命演化奠定基礎(chǔ)。如今，地球上能轉(zhuǎn)化利用二氧化碳的生物主要分為光能自養(yǎng)生物（如植物、藻類）和化能自養(yǎng)生物（如硝化細(xì)菌）。它們通過不同的固碳途徑將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，其中最為人熟知的是卡爾文循環(huán)——這一途徑為人類提供了絕大部分的糧食和氧氣，其發(fā)現(xiàn)者梅爾文·卡爾文于1961年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

然而，自然界的固碳系統(tǒng)并非完美?？栁难h(huán)中的關(guān)鍵酶在捕捉二氧化碳時(shí)缺乏“專一性”，經(jīng)常誤綁氧氣分子，從而啟動(dòng)耗能的光呼吸過程，導(dǎo)致固碳效率降低。這就像是一個(gè)效率不高的生產(chǎn)線，需要不斷進(jìn)行補(bǔ)救操作。

為了提高二氧化碳的利用效率，科學(xué)家嘗試對(duì)該固碳途徑進(jìn)行“升級(jí)改造”。在煙草中引入更高效的光呼吸替代途徑，成功回收部分損失的二氧化碳；通過強(qiáng)化“光保護(hù)”機(jī)制減少對(duì)光合作用的抑制，這一策略在煙草和大豆中均驗(yàn)證成功；還有研究團(tuán)隊(duì)向植物中引入額外的二氧化碳固定途徑，如在水稻中引入光呼吸替代途徑，顯著提高了碳固定效率和產(chǎn)量。

但真正的突破來自跳出自然局限，從頭設(shè)計(jì)全新的人工固碳途徑。2016年，德國科學(xué)家設(shè)計(jì)并組裝了第一條自然界中不存在的固碳途徑——CETCH循環(huán)，其固碳效率顯著高于天然的卡爾文循環(huán)。2021年，科研人員成功創(chuàng)建了POAP循環(huán)，僅包含4步反應(yīng)，是已知最短的固碳路徑。2023年，德國團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)出THETA循環(huán)并將其成功“植入”大腸桿菌，邁出了將復(fù)雜人工固碳途徑移入細(xì)胞內(nèi)的第一步。這些突破為高效轉(zhuǎn)化二氧化碳提供了全新路徑，標(biāo)志著從簡單模仿自然邁向了自主設(shè)計(jì)的新階段。

產(chǎn)業(yè)化路徑逐漸清晰

推動(dòng)生物固碳效率提升

目前，基礎(chǔ)研究的突破催生一系列顛覆性應(yīng)用，二氧化碳生物轉(zhuǎn)化的產(chǎn)業(yè)化路徑逐漸清晰。

2021年，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所聯(lián)合大連化學(xué)物理研究所，在國際上首次實(shí)現(xiàn)不依賴植物光合作用的二氧化碳到淀粉的人工全合成。該途徑通過化學(xué)催化與酶促反應(yīng)相結(jié)合，將二氧化碳逐步合成為淀粉。與光伏和電解水產(chǎn)氫裝置聯(lián)用，該系統(tǒng)可以利用陽光、水和二氧化碳合成淀粉，其合成速率和理論能量轉(zhuǎn)化效率均超過玉米等農(nóng)作物。隨后，該單位團(tuán)隊(duì)還于2023年實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到葡萄糖、甘露糖等多種糖類化合物的精準(zhǔn)合成。

另一種思路則是改造微生物細(xì)胞作為“工廠”來生產(chǎn)淀粉?；诮湍高@一“底盤”細(xì)胞，科學(xué)家們成功構(gòu)建了可合成淀粉的細(xì)胞工廠。人工合成淀粉使淀粉生產(chǎn)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，并為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。

蛋白質(zhì)是生命體不可或缺的營養(yǎng)成分。目前，全球的蛋白質(zhì)供應(yīng)雖仍以傳統(tǒng)的動(dòng)植物來源為主，但微生物蛋白質(zhì)也嶄露頭角。它能夠以二氧化碳或工業(yè)尾氣為原料進(jìn)行合成，具有“不與人爭糧、不與糧爭地”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。2024年，美國一公司宣布利用土壤細(xì)菌，通過氣體發(fā)酵技術(shù)，將回收的二氧化碳轉(zhuǎn)化為微生物蛋白。在我國，河北首朗新能源科技有限公司已成功開發(fā)出通過細(xì)菌發(fā)酵將工業(yè)尾氣轉(zhuǎn)化為飼料蛋白的技術(shù)。2025年，以二氧化碳為原料生產(chǎn)酵母蛋白的工業(yè)化裝置在內(nèi)蒙古成功投產(chǎn)。這些突破標(biāo)志著從二氧化碳到蛋白質(zhì)的工業(yè)化生產(chǎn)路徑正逐步成為現(xiàn)實(shí)，為保障未來蛋白質(zhì)供給、推動(dòng)綠色低碳發(fā)展開辟了新方向。

除了合成淀粉、蛋白質(zhì)等生物大分子，二氧化碳還能通過生物轉(zhuǎn)化，用于生產(chǎn)各類化學(xué)品，為化工行業(yè)開辟低碳甚至負(fù)碳的新路徑。

在生物燃料領(lǐng)域，二氧化碳生物轉(zhuǎn)化的研究已取得多項(xiàng)概念驗(yàn)證。研究人員將電催化二氧化碳所得的乙酸利用酵母轉(zhuǎn)化為脂肪酸、β—法尼烯等多碳分子，為綠色生物燃料的制備提供了新思路。

在生物可降解塑料領(lǐng)域，研究正朝著實(shí)現(xiàn)高效與規(guī)模化生產(chǎn)的目標(biāo)推進(jìn)。2025年，研究人員構(gòu)建了“人工海洋碳循環(huán)系統(tǒng)”，直接捕集海水中的二氧化碳并將其合成為可完全生物降解的塑料，展示出了將海水轉(zhuǎn)化為綠色材料的產(chǎn)業(yè)化可能性，同時(shí)為解決海洋酸化問題提供了新方案。

揭示二氧化碳生物轉(zhuǎn)化的內(nèi)在機(jī)制，突破天然固碳系統(tǒng)的速率與能量效率極限，是國際公認(rèn)的重大前沿科學(xué)問題，受到全球?qū)W者的廣泛關(guān)注。探索二氧化碳生物轉(zhuǎn)化的新途徑、新機(jī)制及新功能元件，不僅能揭示自然界未知的固碳代謝網(wǎng)絡(luò)，拓展人類對(duì)生命代謝的認(rèn)知，更能為人工設(shè)計(jì)高效固碳系統(tǒng)提供全新的理論基礎(chǔ)與技術(shù)策略，從而推動(dòng)生物固碳效率實(shí)現(xiàn)顛覆性提升。這一領(lǐng)域的探索，對(duì)最終實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)具有深遠(yuǎn)的科學(xué)價(jià)值與戰(zhàn)略意義。未來，這些源自實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新，有望重塑我們的物質(zhì)生產(chǎn)模式，逐步構(gòu)建起一個(gè)更加可持續(xù)的碳循環(huán)圖景。