深圳灣海水“變”環保塑料！科學家首創海洋人工碳循環系統

將深圳灣的海水變為可降解塑料？是的，這一幕真實地發生在中國科學院深圳先進技術研究院團隊和電子科技大學團隊的科研合作中。

當然，海水并不是一下子變為塑料，而是經歷了從海水中捕獲二氧化碳、使用電催化生成甲酸、用海洋微生物需鈉弧菌產出丁二酸、再把丁二酸和丁二醇連接在一起形成分子鏈，隨后即可得到一種像纖維一樣的白色固體——可生物降解塑料 PBS（Poly（butylene succinate））。也許有一天，我們的手機殼、超市里的包裝袋都將能用上這種塑料。

（來源：資料圖）

這一成果也得到了同行的認可，美國加州理工學院化學物理和材料科學專家、直接海洋捕獲公司 Captura 的聯合創始人兼首席技術官 Xiang Chengxiang 評論道：“這是首個展示從海洋二氧化碳到可被用于生物塑料的原料的演示。”

日前，相關論文發表于 Nature Catalysis。論文共同通訊作者、中國科學院深圳先進技術研究院副研究員高翔告訴 DeepTech：“總的來說，我們首次建立并驗證了一個從海水碳捕獲開始、到碳還原、最終將碳轉化為有用產品的全鏈條、人工的海洋碳循環模式。”

圖 | 高翔和夏川（來源：資料圖）

海洋不只是水，也是“碳的海洋”

海洋其實還有一個隱藏的超級身份，它是地球最大的“碳倉庫”。對于人類帶來的二氧化碳這一溫室氣體，一直以來海洋都像是一位沉默的救星，它張開懷抱默默地吸收了人為排放超過四分之一的二氧化碳。

這些被吸收的碳溶解在海水中之后，變成了一種叫做溶解無機碳的東西，海洋里的溶解無機碳是大氣中的一百多倍。但是，就像人吃多了會不舒服一樣，海洋吃了太多的碳也會不舒服。

二氧化碳溶解在水里會變成碳酸，海水也會因此慢慢變酸，這就是海洋酸化。海洋一酸，珊瑚會失去顏色，貝殼里動物的外殼會變得又薄又脆，以至于整個海洋生態系統的平衡被打破。

無論是中國還是其他國家，沿海地帶通常是經濟發達地區，開發活動頻繁例如深圳灣很多地方是填海而成，這種開發會破壞天然的藍碳系統，加之氣候變化和海洋酸化本身，問題就更加嚴峻。

高翔和夏川等人所思考的是：既然海洋里有這么多的碳，那么能否撈出來這些碳做成有用的東西？這樣一來，既能為海洋減負，還能變廢為寶。

捕捉隱形碳

可是，如何才能把溶解在海水里的看不見的碳給撈出來？這就像從一碗清湯里把鹽挑出來一樣困難。為此，夏川等人發明了一種名為電化學海洋直接捕碳（eDOC，Electrochemical Direct Ocean Capture）的裝置，能夠起到碳過濾機的作用。

此前的碳過濾機有個大毛病：海水有很多鈣和鎂離子也就是讓水產生水垢的東西，它們在機器里會變成白色的沉底，將堵塞水管的水垢一樣，把機器的管道和薄膜堵得嚴嚴實實。結果就是，機器才開動幾天就罷工了。

為此，作為本次研究的合作方之一，電子科技大學教授夏川團隊設計出一臺擁有五個反應室的機器。這臺機器的設計非常巧妙：它用了一種叫做固態電解質的特殊材料，讓電流傳導更順暢，就像給機器修了一條電子高速公路；它還使用特殊的薄膜把海水和內部反應區完全隔開，讓海水里的水垢離子根本進不來，從根源上解決了堵塞問題。

這臺新機器可以連續不停地工作 536 個小時，即能連續工作 22 天以上。它能從天然海水中捕獲 70% 以上的碳，每捕獲 1 公斤的二氧化碳，只需要大約 3 度電，能量大約相當于讓游戲機連續工作幾十個小時，成本比以前的方法低了很多。

在這 22 天里，這臺小小的機器從大約 177 升海水（約為一輛小汽車油箱的容量）里，撈出了大約 6.54 升純凈的二氧化碳氣體。

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

催化劑奇跡：點氣成酸

捕獲到二氧化碳氣體之后，很難進行直接利用。于是，夏川等人把二氧化碳氣體變為了液態甲酸。甲酸其實是很多人類都曾接觸過的東西。螞蟻的身體里就有甲酸，所以當被螞蟻咬到時，那種癢感就是甲酸在起作用。

而甲酸還有一個更重要的身份，它其實也是微生物最愛的“能量飲料”。要把二氧化碳變成甲酸，需要催化劑這樣一個得力助手。為此，他們發明出了名為 Bi-BEN 的催化劑，它的核心是一種名為鉍的金屬，這種金屬對于制造甲酸可謂是情有獨鐘。

更酷的是，他們從石榴和草莓等天然植物種提取了鞣花酸，將其用來包裹和修飾鉍金屬，借此給催化劑穿上了一件天然的堅固鎧甲，從而讓催化劑變得超級穩定，即便長時間工作也不會累。它還能讓催化劑的效率變得極高，從而能夠精準地把二氧化碳變為甲酸。

實驗結果顯示，Bi-BEN 催化劑能在極高的電流之下，以 96% 的超高效率生產甲酸，并在連續穩定工作 23 個小時之后性能仍無下降。但是，由此生產出來的甲酸溶液混有其他電解質鹽并不適合直接給微生物“喝”。

于是，他們使用固態電解質反應器直接生產出了純凈如水的甲酸溶液，一點雜質都沒有，這樣微生物就能享用了。

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

使用繁殖最快的細菌打造微生物工廠

當原料準備好之后，微生物便開始登場。他們使用了一種名為需鈉弧菌的海洋細菌，該細菌是地球上目前發現的生長最快的細菌，繁殖一代只需 10 分鐘。

不過，需鈉弧菌雖然長得快，但并不適合把甲酸當做食物來吃。為此，高翔等人對其進行了一次基因改造。他們給需鈉弧菌安裝了三個代謝工具也就是三種特殊的酶。

第一種酶是甲酸-THF 連接酶，它負責把甲酸分子請進門，后兩種酶是亞甲基-THF 環化水解酶和亞甲基-THF 脫氫酶，它們負責在細胞內對甲酸進行加工處理。

安裝了新工具之后的需鈉弧菌，獲得了一個全新的超級消化系統，這個系統的名字叫做四氫葉酸循環通路。至此，需鈉弧菌終于可以放心地把甲酸作為食物來源了。

吃完甲酸之后，需鈉弧菌造出了一種名為琥珀酸的物質。琥珀酸在化工界可謂是赫赫有名，它是制造一種名為聚丁二酸丁二醇酯的可生物降解塑料的關鍵原料，其縮寫叫做 PBS。

研究中，高翔等人將這支改造菌隊命名為 XG251，實驗結果顯示它們能以甲酸為食物，并能夠大量地生產琥珀酸。在實驗室的小瓶子里，產量達到每升 1.13 克。當把產生規模擴大到 5 升的大發酵罐的時候，產量更是達到驚人的每升 1.37 克。

說明這個微生物工廠不僅有效，而且具備放大生產的能力。“這在生物制造中至關重要，因為只有在可控的發酵罐中驗證，才能證明該工藝具備未來產業化的潛力。”高翔表示。而在未來，完全可以使用更大的發酵罐就像釀酒一樣來大規模地生產這種環保塑料的原料。

并不局限于生產環保塑料

這項技術主要有以下幾個潛在方向：

首要的應用是致力于解決海洋酸化這一緊迫的環境問題，通過從海水中移除二氧化碳來緩解其對生態系統的負面影響。

其次是服務于“藍色經濟”，發展負碳生物制造，將海水中的碳資源轉化為有價值的產物。目前，本次成果示范的產品是環保塑料，但未來產品譜系可以得到大幅拓展。例如，可以生產如法尼烯這類航空用的高能量密度生物燃料。

比如，利用海上豐富的風力發電（這種電力往往難以儲存），通過電化學技術將二氧化碳轉化為甲酸等中間體，再借助合成生物學將其最終轉化為有用的物品。這意味著，利用海水和電力，通過電化學與生物制造的結合，可以生產出包括環保塑料和生物能源在內的多種產品。

再長遠來看，甚至可以將發酵后的微生物菌體加工成蛋白飼料，用于水產養殖（如養蝦、養魚、養扇貝等），為海上人工漁場提供飼料來源。

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

眼下，本次系統的產能還比較低。因此，夏川和高翔將圍繞對整個系統進行全面升級，這包括電化學和合成生物學兩個部分。

首要任務是提升從二氧化碳到最終產品的整體效率即降本增效。其次是拓展產品范圍，未來將不再局限于生產環保塑料，而是致力于開發更多元化的高價值產品。

參考資料：

相關論文 https://www.nature.com/articles/s41929-025-01416-4

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